等离子体及其技术应用

等离子体及其技术应用

生化系化学教育姓名：蒋敏学号：20101420

摘要：通过介绍等离子体的概念、分类、特性、原理及其在化学工业、材料工业、电子工业、能源方面和机械工业、国防工业、生物医学及环境保护方面的技术应用。

关键词：等离子体、概念、特性、原理、应用

前言：等离子体是宇宙中物质存在的一种状态。物质除固、液、气三态外，还有第四种状态即等离子态。所谓等离子体就是气体在外力作用下发生电离，产生电荷相反、数量相等的电子和正离子以及游离基(电子、离子和游离基之间又可复合成原子和分子)，由于在宏观上呈中性，故称之为等离子体。处于等离于态的各种物质微粒具有较强的化学活性，在一定的条件下可获得较完全的化学反应，物质的各态之间是可以相互转化的。

1. 等离子体

等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子、微料等)组成的, 宏观上呈现准中性, 且具有集体效应的混合气体。所谓准中性是指在等离子体中的正负离子数目基本相等, 系统在宏观上呈现中性, 但在小尺度上则呈现出电磁性, 而集体效应则突出地反映了等离子体与中性气体的区别。

1.1等离子体的含义

由电子、离子和中性粒子三种成分组成。其中电子和离子的电荷总数基本相等，因而作为整体是电中性的。等离子体是由大量带电粒子组成的有宏观空间尺度和时间尺度的体系。

1.2等离子体的产生

对液体加热使之温度升高，可以使它转化为气体。在通常的气体中，物质的最小单元是分子。如果对气体再加热使气体温度升高时，分子会分解成单个原子，这种以原子为基本单元而组成的气体叫做原子气体。使原子气体的温度再升高，原子运动的速度增大。通过相互碰撞使之电离出自由电子和阳离子，当许多原子被电离之后，会形成一个电离过程、电离成的离子与电子复合成中性微粒过程之间的动态平衡，因此

在宏观上存在着大量不变的各种离子和电子，形成等离子状态。除了高温下微粒通过碰撞发生电离之外，产生等离子体的方法很多，常用的产生等离子体的方法主要有以下几种：

1.1.1气体放电法

在电场作用下获得加速动能的带电粒子与气体分子碰撞、加之阴极二次电子发射等机制的作用，导致气体击穿放电而形成等离子体。

1.1.2光电离法和激光辐射电离

借入射光量子来使物质分子电离，只要光量子大于或等于该物质的第一电离能，可形成等离子体。激光辐射不仅有单光子，还有多光子和级联电离机制；它的另一特点是可获得高温高密度等离子体。

1.1.3射线辐照法

用各种射线包括α、β、γ和射线或粒子束电子束、离子束等对气体辐照也可产生等离子体。

1.1.4燃烧法

借助热运动动能使气体中足够大的原子、分子相互碰撞引起电离。这种方法产生的等离子体称火焰等离子体。

2.等离子体的分类

2．1 按产生方式分类

按产生方式可分为天然等离子体和人工等离子体。天然等离子体: 宇宙中99.9%的物质处于等离子体状态, 如恒星星系、星云等。地球比较特别, 物质大部分以凝聚态形式存在, 能量水平低。可是在大气中, 由于宇宙射线等外来高能射线的作用, 在每立方厘米内每秒会产生20个离子。当然, 对密度为每立方厘米1019个分子的大气来讲, 这种电离程度太微弱了。但是雷雨时的闪电, 可使大气达到很高的电离度, 形成可观的等离子体。大气上部出现的极光,以及黑夜天空中的余辉, 则是另一种形式的等离子体。人工等离子体: 人们周围随处可见人工产生的等离子体, 如日光灯、霓虹灯中的放电等离子体, 等离子体炬(焊接、新材料制备、消除污染)中眩目的电弧放电等离子体, 爆炸、冲击波中的等离子体以及气体激光器和各种气体放电中的电离气体。

2．2 按电离度分类

等离子体中存在电子、正离子和中性粒子(包括不带电荷的粒子, 如原子或分子以及原子团)等三种粒子。等离子体可分为以下三类: 当B= 1时, 称为完全电离等离子体, 如日冕, 核聚变中的高温等离子体, 其电离度是100%；0. 01< B< 1时, 称为部分电离等离子体。如大气电离层、极光、雷电、电晕放电等都属于部分电离等离子体； B< 0. 01时, 称为弱电离等离子体, 如火焰中的等离子体大部分是中性粒子, 带电粒子成分较少, 属于弱电离等离子体。

2. 3 按热力学平衡分类

根据离子温度与电子温度是否达到热平衡, 可把等离子体分为三类: 完全热平衡等离子体: 当整个等离子体系统温度T > 5 @ 103K时, 体系处于热平衡状态, 各种粒子的平均动能都相同, 这种等离子体称为热力学平衡等离子体, 简称平衡等离子体; 局域热力学平衡等离子体: 就是局部处于热力学平衡的等离子体; 非热力学平衡等离子体: 通过低气压放电获得等离子体时, 气体分子间距非常大。自由电子可在电场方向得到较大加速度, 从而获得较高的能量。而质量较大的离子在电场中则不会得到电子那样大的动能, 气体分子也一样。所以, 电子的平均动能远远超过中性粒子和离子的动能, 电子的温度可高达104K,而中性粒子和离子的温度却只有300- 500K. 这种等离子体处于非平衡状态, 所以称为非热力学平衡等离子体,简称非平衡等离子体。

2. 4 按系统温度分类

按系统温度可分为高温等离子体和低温等离子体。高温等离子体中的粒子温度T > 108 - 109K, 粒子有足够的能量相互碰撞, 达到了核聚变反应的条件。低温等离子体又分为热等离子和冷等离子体两种。热等离子体是稠密气体在常压或高压下电弧放电或高频放电而产生的, 温度也在上千乃至数万开, 可使分子、原子离解、电离、化合等。冷等离子体的温度在100- 1000K 之间, 通常是稀薄气体在低压下过激光、射频或微波电源发辉光放电而产生的。

2. 5 按产生方法和途径分类

除自然界本身产生的等离子体外, 人为发生等离子的方法主要有气体放电法、射线辐射法、光电离法、热电离法、冲击波法等。其中化工中最为常见的是气体放电法。根据所加电场的频率, 气体放电可分为直流放电、低频放电、高频放电、微波放电等多种类型；根据其放电形式又可分为电晕、辉光、弧光等离子体等；根据气压可

分为低压等离子体和常压等离子体。

3. 等离子体特性

通常称等离子体是“物质的第四态”，它是由许多可流动的带电粒子组成的体 系。通常我们在日常生活中很难接触到等离子体，其原因是在正常情况下物质是以固态、液态及气态形式存在的。实际上，在自然界中99%的物质是以等离子体状态存在的。我们的地球就是被一弱电离的等离子体（即电离层）所包围。在太空中的一些星体及星系就是由等离子体构成的，如太阳就是一氢等离子体球。当然，人们也可以在实验室中采用不同的气体放电方法来产生等离子体。用于材料表面改性或合成新材料的等离子体，一般都是由低气压放电产生的。等离子体的状态主要取决于它的化学成分、粒子密度和粒子温度等物理化学参量，其中粒子的密度和温度是等离子体的两个最基本的参量。对于实验室中采用气体放电方式产生的等离子体主要是由电子、离子、中性粒子或粒子团组成的。因此，描述等离子体的密度参数和温度参数主要有：电子的密度n e 和温度T e 、离子的密度n i 和温度T i 以及中性粒子的密度n g 和温度T g 。在一般情况下，为了保证等离子体的宏观电中性，要求等离子体处在平衡状态时，电子密度近似地等于离子密度n e ≈ n i = n 0。可以用电离度 g e e

n n n +=η （1.1-1）

这个物理参量来描述等离子体的电离程度。低气压放电产生的等离子体是一个弱电离的等离子体（η<<1 ）。当1=η时，为完全电离等离子体。对于实验室中采用低气压放电产生的等离子体，电子的温度T e 约为1~10eV ( 1eV=11600K ),远大于离子的温度T i (只有数百K ，基本上等于中性粒子的温度)。有时称这种等离子体为冷等离子体（Cold Plasma ）。 等离子体在宏观上是呈电中性的。但如果受到某种扰动，其内部将会出现局域电荷空间分离，产生电场。如在等离子体中放入一带正电量q 的小球，由于该电荷的静电场的作用，它将对等离子体中的电子进行吸引，而对离子进行排斥。这样，在它的周围将形成一个带负电的球状“电子云”。这时，带电小球在等离子体中产生的静电势不再是一简单的裸库仑势，而是一屏蔽的库仑势，如：

)r/exp(r q

V(r)D λ-= （1.1-2）

其中 20e B e n 4T k πλ=D （1.1-3）

为德拜屏蔽长度（Debye Shielding Length ）.可见电子云对带电小球产生的库仑势（或场）起着屏蔽作用，这种现象被称为等离子体的德拜屏蔽。德拜屏蔽长度是等离子体的一个重要物理参量。为了保证一个带电粒子系统是一个等离子体，通常要求其空间尺度L 要远大于德拜屏蔽长度，即： L>>D λ. 对于典型的辉光放电等离子体，有eV 1T k ,cm 10n e B -310 0==，这样 cm 1073D -?=λ。等离子体另一个特性是其振荡性。一般地，处于平衡状态的等离子体在宏观上其密度分布是均匀的，但从微观上看，其密度分布是有涨落的，且这种密度涨落具有振荡性。为了说明等离子体密度涨落的振荡性，不妨可以假设等离子体是仅由电子和离子组成的。由于离子的质量较重，可以看成离子是不动的，构成一均匀分布的正电荷的本底。如果在某点电子的密度突然受到扰动，相对正电荷的离子本底有一个移动，造成电荷空间分离。但这种电荷空间分离不能继续进行下去，因为库仑力的作用将试图把电子拉回到其原来的平衡位置，以保持等离子体的电中性。然而，由于电子具有惯性，它们到达平衡位置时并不能停止下来，而是朝另一个方向继续运动，造成新的电荷空间分离。这样一来，库仑力又要试图把它们拉回到平衡位置，依此下去?。 这种现象即称为等离子体的振荡 ( Plasma Oscillation )。等离子体的振荡频率为

e 20p m e n 4πω= （1.1-4）

实际上，上面我们讨论的是等离子体中的电子密度的振荡性。由于离子的质量远大于电子的质量，因此离子的振荡频率相对很小。所以，通常讲等离子体的振荡实际上就是指电子的振荡。p ω是等离子体的另一个重要的物理量。等离子体电中性条件要求：

等离子体放电的特征时间尺度t 要远大于等离子体的振荡周期p /1ωτ=。 到达表面上

的电子除一部分与离子复合外，还将剩余一部分，从而在基板上出现净负电荷积累，即基板表面相对等离子体区呈负电势。该负电势将排斥向表面运动的后续电子，同时吸引正离子。直到基体表面的负电势达到某个确定的值使离子流与电子流相等时为止。显然，由于基体表面呈负电势，那么在基体表面与等离子体交界处形成一个由正

离子构成的空间电荷层，也就是离子鞘层。可以证明：在这种情况下，基板上的电势为

[]i e i e e B m T T m e T k /)/1(2ln )2(V 0+=π (1.1-5)

实际上，不仅是悬浮的基板，凡是与等离子体交界的任何绝缘性物体，包括放电室的器壁、电极等，都会在其表面附近形成一离子鞘层。特别是，在等离子体材料表面改性和合成薄膜材料技术中，通常在被加工的工件或基体上施加一负偏压，从几百伏到几十千伏。这时，其表面将会形成一很厚的离子鞘层。下面将看到这种离子鞘层对等离子体的工艺过程起着重要的影响，它直接决定着入射到工件表面上的带电粒子的能量分布和角度分布。

4. 等离子体的应用原理

对常温常压条件下的气体通过高温加速电子加速离子给物质以能量。物质被解离成阴,阳离子的状态,由于整个体系阴,阳离子总电荷相等,故称为等离子体。而从通常的能量排布:气体>液体>固体的角度来说,等离子的能量比气体更高,能表现出一般气体所不具有的特性,所以也被称为物质的第四态。当气体电离生成电子正离子一般在段时间内发生结合,回到中性分子状态,这个过程产生的电子,离子的一部分能量以电磁波等不同形式消耗,在分子离解时常生成自由基,生成的电子结合中性原子,分子形成负离子。因此,整个等离子体是电子正负离子激发态原子,原子以及自由基的混合状态。因为各种化学反应都是在高激发态下进行的,与经典的化学反应完全不同。这样使等离子体的原子或分子的本性通常都发生改变,即使是较稳定的惰性气体也会变得具有很强的化学活泼性。在放电气体中发生的反应称为等离子体化学反应,用电子温度Te 和离子温度Ti 作为参数。若Te ≈Ti 称为平衡等离子体或高温等离子体。若Te >>Ti 称为非平衡等离子体或低温等离子体。这两种不同的情况在不同的领域都有广泛的运用。

5. 等离子体的应用

等离子体中含有电子、离子、激发态粒子、亚稳态粒子、光子等, 既有导电性, 又可用磁场控制, 而且能为化学反应提供丰富的活性粒子。因此, 它在化学工业、材料工业、电子工业、能源、机械工业、国防工业、生物医学和环境保护等方而都有广泛的应用。

5.1化学工业和材料工业方面的应用

利用等离子体进行高温化学反应, 可以获得比化学燃烧更高的温度和加热速率。在等离子体状态下, 大量携带能量的活性粒子参与化学反应, 大大加快了反过程。因此, 这对于化学工业上无机物和有机物的合成有着重要意义。例如烯炔的合成, 煤转化为乙炔, 从天然气中获得乙炔和乙烯等; 制备超细碳化钦、氮化钦、合成户碳化硅超细粉末, 以及制备微细钨粉、碳化钨粉、氧化铝粉和钦白等. 几乎所有的氧化物、硫化物及氯化物在等离子条件下都会分解, 例如使错石英热分解成氧化错。热等离子体可用于熔炼高温金属, 熔化难熔化合物, 进行金属的重熔精炼.利用等离子体可以使用一般方法不发生聚合反应的化合物能进行聚合反应, 并在较低的基体温度下成膜。这种等离子体聚合膜具有无针孔。高致密性、与基体紧紧粘结、化学稳定性好等特点, 可以制成高强度耐磨膜、光学保护膜、电学绝缘膜、反渗透膜、选择性渗透膜等。由新单体合成新的材料一般周期长、投资大, 用等离子体进行材料表面改性可保持基体原来性能又赋予新的表面性能, 例如改善吸水性。染色性、粘结性、生物亲和性等。这种方法有利于短期内产品更新, 它适用于化纤、塑料、橡胶以及皮革等。等离子体还能用于提高催化剂的表面活性。复合材料的应用越来越广泛。用等离子体成膜方法可以产生新的复合材料, 等离子体的表面处理能改善物料表面的粘接性, 从而提高复合材料的强度。

5.2电子工业方面的应用

众所周知, 电子管中的导电气体是等离子体。目前电子回旋微波发射管是等离子体应用的新产品。在现代电子工业中一个重要的领域是等离子体在微电路制作中的应用。利用等离子体与材料表面的作用, 可在半导体工艺中进行等离子体胶、等离子体显影、等离子体蚀刻, 还可以产生等离子体钝化膜、等离子体聚合膜等七十。年代将等离子体用于干法去胶后, 由于具有生产率高、无污染、操作简便等优点而获得广泛应用。等离子体蚀刻的各向异性使图象加工精度提高到微米级, 达到高分辨集成度。国外已有等离子体蚀刻设备产品, 国内也已开展这方面工作。人们正致力于探索用等离子体清洗、等离子体显影、等离体掩模蚀刻、等离子体去胶、等离子体淀积、等离子体表面处理一整套干法工艺代替传统的湿法工艺, 可望大大简化工序, 提高自动化程度, 提高微电路集成度, 提高成品率, 并使操作安全, 减少污染。此外, 等离子体聚合在制作光导纤维方面的应用, 也将为激光通讯开辟新的途径。

5.3能源方面的应用

等离子体科学技术在能源方面的应用包括节能和开辟新能源。利用电弧加热器, 可使气体加热到燃烧设备或普通电加热设备所不能达到的温度, 提高了加热效率。这在陶瓷工业和铸造行业上已广泛应用。等离子体冶炼技术既节省能源又降低成本。等离子体加热器用于燃煤电站的点火,可以节约锅炉每次起动点火时所耗费的大量燃油。煤的汽化是近几年来正在研究和发展的新技术, 利用等离子体技术可使煤的化效率由原来的40 一50 外提高到80 一90 多,利用等离子体聚合非晶硅膜作为太阳能电池是太阳能利用的一个重要环节, 它使太阳能电池面积大、质量轻、耐辐照、造价低。磁流体发电是使流动的等离子体燃气通过强磁场把热能直接转化为电能的新技术,可以将火力发电站的热效率由30一40 % 提高到50 一60 多, 科技界和企业界正进行工业规模的试验。等离子体在受控核聚变中的应用, 是人工控制核聚变中产生的巨大能量的利用。这是人类探索理想新能源的长远而重大的项目, 国际上近期将跨进“核聚变点火”的新阶段, 预期三、五十年后获得工业上的热核动力。

5.4 机械工业方面的应用三能源方面的应用

等离子体焊接、等离子体切削和等离子体钻等在机械工业中已有较广泛的应用。等离子体喷涂, 对轴承、齿轮等磨损部件的修复有重要的作用。等离子体喷制微孔材料以及喷铸成型又是一种有意义的新工艺。用等离子体注人和成膜的方法对金属材料表面进行氮化、碳化、硼化或生成氮化钦膜均可保持原材料的基本性能和尺寸, 从而大大提高其耐磨、抗腐蚀性能, 可以延长工具和模具的寿命。有人估计, 国际上用于航空、航天、武器等的高强度材料的切削加工的费用, 每年近十亿美元。因此, 用等离子体方法提高工具表面硬度, 延长工具的寿命是十分有意义的。因此, 用等离子体方法提高工具表面硬度, 延长工具的寿命是十分有意义的。

5.5 国防工业方面的应用

火箭发动机的燃烧效率和燃烧稳定性都是与等离子体密切相关的问题。等离子体喷涂可用于火箭喷口和飞行器再人大气时驻点加热的耐高温防热层。利用等离子体表面处理提高复合材料强度后, 飞行器重量可以减轻, 从而可以大量节省推进器的燃料。脉冲等离子体火箭可用于卫星飞行的姿态控制。导弹再人大气时,通讯中断是由于天线表面等离子体鞘对电波传播的影响。利用等离子体特殊化学反应性能,可以进行潜艇密封舱内空气的净化和发动机尾气的解毒。原子弹, 氢弹、激光武器、粒子束武器都是等离子体科学技术所涉及的重要领域。

5.4生物医学和环境保护方面的应用

人造器脏包括人工肾、人工心脏、人工血管。大概除了大脑外, 将来可以广泛用人造的器脏代替原来的器脏。但人造器脏会遇到生物体的排异反应, 植人机体内会引起感染发炎、溶血、血栓、坏死、致癌等. 用等离子体处理和等离子体聚合膜可以使人造器脏与生物体产生亲和性, 这是一项很有意义的研究课题。医疗上可以用等离子体聚合膜作为埋人体内的药物缓释膜, 由于等离子体微弧的发展, 人们已进行等离子体手术刀的临床试验, 减少了肝脏手术过程的出血量。等离子体灰化对肌肉组织、血液、毛发、食品、药物中微量无机物和金属元素的分析已成为重要手段。等离子体在废气净化、污水处理、农药解毒等方面有重要作用。有人对等离子体提高种子发芽率问题进行了研究。有的科学家预言, 等离子体在食物生产中将会起重要作用, 如合成氨墓酸、蛋白质、维他命等。

6. 展望

等离子体科学技术是一门交叉学科，也是一项综合性技术, 它的应用十分广泛。有些领域应用等离子体科学技术已达到工业化阶段,并产生重大的经济效益，有些领域的应用处于实验阶段，还有的待进一步探索。因此，在已经应用的领域需要进一步提高技术外。许多尚待开发的项目仍需要进行大量的实验和理论工作，等离子体应用的机理是重要的研究内容。等离子体的均匀性，重复性及其效果的稳定性是重要的技术问题。快速，连续化等离子体系统的设计也是工业应用的重要环节。美国《等离子体消息报道》(plasma news report) 编辑部根据他们与国际上几十个国家的广泛联系所得到的情报认为科技界。工业界对等离子体科学技术的兴趣日益增长，各国在这方面的投资和经费预算在增加。并预言等离子体科学技术的应用不久将有新的突破。

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