等离子体物理简介
等离子体物理基础
等离子体物理基础等离子体是一种以等离子体态的物质状态，它是由气体或固体在高温、高压或强辐照等条件下失去或获得电子而形成的，具有正离子和自由电子的等离子体。
等离子体物理研究的是等离子体的性质、行为和应用，并在诸多领域中有着广泛的应用。
一、等离子体形成的条件和特点1. 形成条件：等离子体形成有多种条件，如高温、高压和强电磁场等。
在高温条件下，物质分子能够克服束缚力，失去电子，形成带正电荷的离子和自由电子。
高压也能够促进电子的跃迁，使物质形成等离子体。
此外，强电磁场的作用也能够使等离子体形成。
2. 特点：等离子体具有电中性，但整体呈带电状态。
等离子体中自由电子的存在使得它具有导电性和磁场感应性。
另外，等离子体还具有高可压缩性和高扩散性，能够通过电场和磁场受力。
二、等离子体的分类根据温度和密度的不同，等离子体可以分为等离子普通态、等离子凝聚态和等离子极端态。
1. 等离子普通态：等离子普通态是指在常规条件下形成的等离子体。
它常见于自然界中的闪电和恒星等高温物质，以及工业和科研实验室中的等离子体设备，如等离子切割和等离子喷涂。
2. 等离子凝聚态：等离子凝聚态是指在较低温度和高密度条件下形成的等离子体。
其中包括电子气、等离子流体和凝聚态等离子体。
等离子凝聚态在材料科学、凝聚态物理和聚变能等领域有着广泛的应用。
3. 等离子极端态：等离子极端态是指在极端条件下形成的等离子体，如在极低温度、极高压力或强磁场条件下形成的等离子体。
这些条件下的等离子体在科学研究和天体物理学中具有重要作用。
三、等离子体物理的研究领域等离子体物理作为一门综合性的学科，涉及到许多领域和应用，如天体物理学、磁约束聚变、等离子体加热和等离子体诊断等。
以下是部分研究领域的介绍：1. 天体物理学：天体物理学研究宇宙中的等离子体，如恒星、星际等离子体，以及与宇宙射线和宇宙成分的相互作用。
这一领域的研究对于理解宇宙的起源和演化过程有着重要意义。
2. 磁约束聚变：磁约束聚变是一种利用等离子体自身的磁场来达到高温和高密度条件的核聚变技术。
等离子体物理
等离子体物理等离子体是一种由离子和自由电子组成的第四种物质状态，除了固态、液态和气态之外。
等离子体在自然界中广泛存在，例如太阳、闪电和星际空间中的恒星等。
它们具有独特的物理特性，对研究者来说既神秘又吸引人。
本文将探讨等离子体的物理特性、应用领域和研究现状。
等离子体的物理特性1. 等离子体的定义等离子体是一种由离子和自由电子组成的气体，通常在较高的能量状态下。
在等离子体中，电子可以从原子中脱离，形成带正电的离子，同时产生自由电子。
这种离子化过程需要提供足够的能量，通常通过高温或高能量辐射来实现。
2. 等离子体的性质•导电性: 由于含有自由电子，等离子体具有极好的导电性，是研究等离子体物理的重要特性之一。
•辐射性: 等离子体能够发射出特定频率的辐射，这种辐射被广泛应用于激光、等离子体屏等领域。
•热力学性质: 等离子体在温度较高时伴随着明显的热力学效应，这对等离子体的研究和应用提出了挑战。
等离子体的应用领域1. 核聚变能源等离子体在核聚变反应堆中起着至关重要的作用。
通过在高温高能条件下将氢等离子体制成等离子体，实现核聚变反应，释放出大量能量。
核聚变反应被认为是未来清洁能源的重要选择。
2. 等离子体显示技术在等离子体显示技术中，等离子体被用作显示面板中的光源。
激发气体等离子体会发出明亮的光，常用于电视和广告牌等领域。
3. 医疗应用等离子体在医学领域也有广泛应用，例如等离子刀技术。
医生利用由等离子体产生的高能电子切割组织，用于手术和治疗癌症等疾病。
等离子体物理的研究现状目前，等离子体物理领域的研究涵盖了从基础理论到应用技术的广泛范围。
研究者们通过实验和数值模拟等手段，不断深入探索等离子体的性质和行为，以期在能源、材料科学和医学等领域取得重要突破。
结语等离子体作为第四种物质状态，具有丰富的物理特性和广泛的应用前景。
通过不懈的研究与探索，等离子体物理将为人类社会带来更多创新与进步。
希望本文能够为读者提供一些关于等离子体的基础知识，并引发更多对等离子体物理的兴趣与思考。
等离子体物理基础
等离子体物理基础引言等离子体是一种由电子和离子组成的高度电离的气体态物质。
它在自然界中广泛存在，如太阳、闪电等，也可人工产生，如等离子体显示器、核聚变等。
本文将介绍等离子体的基本概念、性质和应用。
一、等离子体的基本概念等离子体是由气体在高温或高能量激发下电离而形成的。
在等离子体中，气体原子或分子中的电子被剥离，形成自由电子和正离子，从而使等离子体具有整体的电中性。
等离子体的电磁性质和输运性质与普通气体有很大的差异，因为等离子体中电子和离子的行为受到电磁场的影响。
二、等离子体的性质1. 电导性：等离子体具有良好的电导性，因为自由电子和正离子的存在使得电荷能够在等离子体中自由传导。
这也是等离子体广泛应用于电子器件和电磁场控制的原因之一。
2. 等离子体的辐射：等离子体在高能量激发下会释放能量并辐射出光线。
这种辐射现象被广泛应用于等离子体显示器、激光器等领域。
3. 等离子体的热力学性质：由于等离子体的高度电离特性，其热力学性质与普通气体有所不同。
等离子体的温度定义也与普通气体不同，常用电子温度和离子温度来描述等离子体的热力学状态。
三、等离子体的应用1. 等离子体显示器：等离子体显示器利用等离子体在电场作用下发射出的光来显示图像。
由于等离子体显示器具有高亮度和快速响应的特点，被广泛应用于电视、电子游戏等领域。
2. 核聚变：等离子体在高温和高压条件下能够实现核聚变反应，这是太阳和恒星等天体能源的来源。
人们通过研究等离子体物理，试图在地球上实现核聚变技术，以解决能源危机问题。
3. 等离子体医学应用：等离子体在医学领域也有广泛应用，如等离子体刀用于手术切割和止血，等离子体杀菌用于消毒和灭菌等。
结论等离子体物理是一个复杂而有趣的研究领域，涉及到物质的高度电离状态和与电磁场的相互作用。
等离子体在许多领域都有重要的应用，包括电子器件、能源研究和医学领域。
深入研究等离子体物理，对于推动科学技术的发展和解决实际问题具有重要意义。
等离子体概述
一、等离子体概述物质有几个状态？学过初中物理的会很快回答固态、液态、气态。
其实，等离子态是物质存在的又一种聚集态，称为物质的第四态。
它是由大量的自由电子和离子组成，整体上呈现电中性的电离气体。
在一定条件下，物质的各态之间是可以相互转化的，当有足够的能量施予固体，使得粒子的平均动能超过粒子在晶格中的结合能，晶体被破坏，固体变成液体。
若向液体施加足够的能量，使粒子的结合键破坏，液体就变成了气体。
若对气体分子施加足够的能量，使电子脱离分子或原子的束缚成为自由电子，失去电子的原子成为带正电的离子时，中性气体就变成了等离子体。
物质的状态对应了物质中粒子的有序程度，等离子内物质中的粒子有序程度是最差的。
相应的，等离子体内的粒子具有较高的能量、较高的温度。
实际上，宇宙中99.9%的物质处于等离子态，它是宇宙中物质存在的普遍形式，不过地球上，等离子体多是人造的。
人工如何造出等离子体呢？从上面的论述可以看出，等离子体的能量是很高的，任何物质加热到足够高的温度，都会成为电离态，形成等离子体。
在太阳和恒星的内部，都存在着大量的高温产生的等离子体。
太阳和恒星的热辐射和紫外辐射能使星际空间的稀薄气体产生电离，形成等离子体，如地球上空的电离层就是这样来的。
各种直流、交流、脉冲放电等均可用来产生等离子体。
利用激光也可以产生等离子体。
等离子体如何描述？温度。
等离子体有两种状态：平衡状态和非平衡状态。
等离子体中的带电粒子之间存在库伦力的作用，但是此作用力远小于粒子运动的热运动能。
当讨论处于热平衡状态的等离子体时，常将等离子体当做理想气体处理，而忽略粒子间的相互作用。
在热平衡状态下，粒子能量服从麦克斯韦分布。
每个粒子的平均动能32E kT =。
对于处于非平衡状态下的等离子体，一般认为不同粒子成分各自处于热平衡态，分别用e T 、i T 、n T 表示电子气、离子气和中性气体的温度，并表示各自的平均动能。
可以用动力学温度E T （eV ）表示等离子体的温度，E T 的单位是能量单位，由粒子的动能公式可得2133222E E mv kT T ===，E T 就是粒子的等效能量kT 值（1eV 的能量温度，相应的开氏绝对温度为1T k==11600K ）。
等离子体物理
等离子体物理学是研究等离子体的形成及其各种性质和运动定律的学科。这种聚变的应用前景集中在轻核聚变上，即利用磁约束等离子体进行连续聚变反应。
等离子体物理学
简单的介绍
等离子体物理学是研究等离子体的形成及其各种性质和运动定律的学科。宇宙中的大多数物质处于等离子体状态。例如，太阳中心区域的温度超过1000万度，并且太阳中的大部分物质处于等离子体状态。地球高度的电离层也处于等离子体状态。
应将实验结果与对应于参数条件的理论分析进行比较，以确定实验和理论的方向。等离子体实验的因素复杂多变，困难且不准确，理论描述还远远不够完善。实验中经常会出现意想不到的结果，这是理论创新的重点。
（2）理论描述包括近似法和统计法。
粒子轨道理论和磁流体动力学是近似方法。粒子轨道理论将等离子体视为一组独立的带电粒子，仅讨论单个粒子在外部电磁场中的运动特性，而忽略了粒子之间的相互作用，也就是说，它可以近似粒子运动方程。该理论仅适用于薄等离子体的研究。在某些条件下的密集等离子体也可以描述等离子体的运动通过确定每个粒子的轨道进行适当的定位，并提供稠密等离子体的某些特性。但是，由于致密等离子体的强集体效应，粒子之间的耦合非常紧密，因此理论非常有限。
等离子体及其物理特性
o(3)宏观上是电中性的。
虽然等离子体宏观上是电中性的， 但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。 电荷之间的库仑相互作用，使这种偏离电中性的范围不能无限扩大， 最终使电中性得以恢复。偏离电中性的区域最大尺度称为德拜长度λD。 当系统尺度 L＞λD时，系统呈现电中 强，当 L<λD时，系统可能出现非电中性。
用实验方法测定等离子体参量的技术。诊断的方法有探针法、微波法、激光法、光谱法、光学法和粒子束法，其中光学法的原理可参见风洞测试仪器；粒子束法的应用不如前五种普遍。诊断的参量包括微观参量（如碰撞频率）和宏观参量（如密度、温度、压力等热力学参量，以及粘性、扩散、热导率和电导率等输运系数）。一般表征部分电离等离子体特性的参量主要是电子密度、电子温度和碰撞频率。电子密度和电子温度的范围不同，所用的测量方法也不同（图1、图2）。 等离子体诊断技术是随着等离子体科学的进展而发展起来的。20世纪初，开始观测宇宙等离子体。20年代，为了研究气体放电，开创了实验室等离子体诊断。从50年代起，在受控热核反应和空间技术研究的推动下，等离子体诊断的研究进入全盛时期。下面将等离子体诊断应用的各种方法作一介绍。
2.等离子体的主要参量
描述等离子体的一些主要参量为：
1. (l)电子温度Te0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.(2)带电粒子密度。电子密度为ne，正离子密度为ni，在等离子体中ne≈ni。
3.(3)轴向电场强度 EL0表征为维持等离子体的存在所需的能量。
电导率探针由磁场线圈和探测线圈组成。它利用磁场和等离子体相互作用原理来确定等离子体的电导率。电导率探针有电导率计（图7)和射频电导率探针（图8）等类型。对于电导率计，当高速运动的等离子体切割其磁场线圈的磁力线时，等离子体中便产生感应电流。这又在探测线圈中造成磁通量的变化并感生出电动势。在已知等离子体运动速度的情况下，测量探测线圈中的感应端电压，可以得到等离子体的电导率。射频电导率探针是把磁场线圈和探测线圈合成一个。它利用振荡器产生高频振荡，并通过电介质窗口传输到等离子体中，从而感应出涡流，涡流又影响线圈的阻抗。测量线圈的品质因数（Q值）或谐振频率的变化,可以确定等离子体的高频电导率。 微波法利用电磁波频谱中的微波与等离子体相互作用的原理来测量等离子体参量的方法。微波在等离子体中传播时,会使微波器件的工作状态发生变化（如Q值下降等），并发生吸收、相移以及反射、折射、散射等过程。相应的衰减量、相移量和反射量等物理量可由实验测定，而它们对等离子体的电子密度、碰撞频率等参量的依赖关系则可由理论分析给出。基于这类现象的诊断称为微波传输测量，它分为空腔法和自由传播法两种。图9给出自由传播法的三种基本方法，可进行衰减测量、反射测量和相移测量等。另一类微波法是测量等离子体的微波辐射（如黑体辐射、轫致辐射、回旋辐射和相干辐射等），从而获得有关等离子体温度、不稳定性等特性的信息。
等离子体物理的学科
等离子体物理的学科
等离子体物理是研究等离子体的性质、行为和应用的学科。
等离子体是一种物质状态，处于高温或高能量条件下，原子或分子失去部分或全部电子，形成带正电荷的离子和自由电子的混合物。
等离子体物理涉及多个学科领域，包括物理学、化学、天文学和工程学等。
从物理学角度来看，等离子体物理研究等离子体的基本性质，如等离子体的热力学性质、电磁性质、流体性质、波动性质等。
研究等离子体的宏观行为，例如等离子体的输运性质、磁流体力学行为、等离子体的稳定性和不稳定性等。
此外，等离子体物理也涉及等离子体在核聚变、等离子体工程和空间物理等领域的应用。
从化学角度来看，等离子体物理研究等离子体的化学成分、反应过程和化学动力学。
研究等离子体在化学反应、原子碰撞和分子解离等方面的行为。
从天文学角度来看，等离子体物理与宇宙中的等离子体现象相关，如恒星内部的等离子体、星际介质中的等离子体、星云等离子体等，研究这些天体等离子体的性质和行为。
从工程学角度来看，等离子体物理与等离子体工程相关，如等离子体在核聚变能研究中的应用、等离子体在材料加工中的应用、等离子体在环境治理中的应用等。
研究如何利用等离子体的性质和行为来解决工程问题和开发新技术。
总的来说，等离子体物理是一个跨学科的领域，涉及多个学科的知识，研究等离子体的基本性质、行为和应用，对于理解宇宙中的许多现象和开发新的技术都具有重要意义。
1.1 等离子体物理学简介
1
等离子体物理学简介的目的
• 了解等离子体物理基本概念 • 建立等离子体基本物理过程的物
理图像
2
等离子体简单示例
太阳风暴(Solar wind)
日冕物质抛射的爆发图像
日冕是太阳大气的最外层（其内部分别 从恒星上层大气射出的超高速等离子体 为光球层和色球层），厚度达到几百万 （带电粒子）流。在不是太阳的情况下， 公里以上。在高温下，氢、氦等原子已 经被电离。这些带电粒子运动速度极快， 这种带电粒子流也常称为“恒星风” 以致不断有带电的粒子挣脱太阳的引力 3 束缚，射向太阳的外围。形成太阳风。
n0ex Ex 0 0
注：电场方向定义为正电荷受力方向 简谐振荡方程：
n0e 1/ 2 d x 2 ) pe x 0 pe ( 2 0 me dt
2
2
x=0
Q1：电子、离子的运 动可否解耦？
24
等离子体Langmuir振荡：
等离子体振荡示意图
x=0
物理图像：密度扰动电荷分离（大于德拜半径尺度）电场 驱动粒子(电子、离子)运动“过冲”运动 往返振荡等离子体最重要的本征频率： 电子、离子振荡频率 Langmuir在1928年研究气体放电时首次发现Langmuir振荡
等离子体Langmuir振荡：
15
等离子体物理学基本概念 温度
• 电子温度Te和离子温度Ti
不同成分之间达到热平衡的时间比同种类粒子之间达到热平衡的时间长得多，因此等离子体不
同种类的粒子可以有不同的温度
• 垂直温度Tperp 和平行温度Tpara
磁场的出现使得沿着磁场方向和垂直于磁场方向上的速度分布可以截然不同，可认为在不同方 向上的等离子体存在不同的温度
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5.0x10
15
1
2
3
4
5
6 7 8 9 10
20
0.0 0 20
2280 mTorr, 100/20 sccm H2/SiH4
40 60 80 100
sccm SiH4 in 100 sccm H2
Power (W)
Acknowledgement This work, supported by the European Communities under the contract of association between EURATOM/FOM, was carried out within the framework of the European Fusion Programme with financial support from NWO and NOVEM. The views and opinions expressed herein do not necessarily reflect those of the European Commission.
16
1.0 0.8
-3
Power (W)
2.5
)
Neutral-neutral reactions consume atomic hydrogen: SiH4 + H SiH3 + H2
0.6
2.4
Te 2280 mTorr 100/20 sccm H2/SiH4
Density (m
1.5x10
INTRODUCTION
Micro-crystalline silicon layers for solar cells can be deposited using diluted silane (SiH4) discharges. Because relatively thick layers are required, high deposition rates are needed for efficient production. A way to achieve this is by using VHF (typically 50MHz) high-pressure (a few Torr) discharges in a mixture of hydrogen and silane. Here we investigate the chemistry of these discharges with a onedimensional fluid model. Specific aspects studied are the influence of the fraction of silane in the inlet flow, the pressure, and the power. The frequency is 50 MHz in all cases. The reactor studied is the ASTER device that has an electrode distance of 27 mm and an electrode radius of 8 cm, so 1 sccm of SiH4 (4.5x107 Si atoms/s), uniformly deposited on both electrodes would give a deposition rate of 0.2 nm/s.
CONCLUSIONS
Power (W)
A high deposition rate requires a high pressure (H abstraction) and a high power (radical and ion production). Dust formation at high powers is hampered by SiH4 depletion and decrease of silane negative ion density
Modelling of diluted silane-hydrogen VHF discharges
W.J. Goedheer1) and J.K. Rath2)
1) FOM-Instituut voor Plasmafysica „Rijnhuizen‟, Nieuwegein, www.rijnh.nl 2) Debye Institute, SID-Physics of Devices Department, Utrecht University, www1.phys.uu.nl/SID/
1E20
Dep.rate at 2280 mTorr Dep. rate divided by power 2280 mTorr, 100/20 sccm H2/SiH4
1
maximum
60
Ion flux Plasma potential
1.00x10
19
2280 mTorr, 100/20 sccm H2/SiH4
1.25x10
19
deposition rate (nm/s)
EFFECT OF INCREASE IN PRESSURE
Decrease of electron temperature: less radical production More atomic hydrogen reactions in volume: decrease of flux
50
Average Plasma potential (V)
-2 -1 s )
40 7.50x10
18
Total Ion Flux (m
0.1
30 5.00x10
18-Biblioteka -1 s )20 2.50x10
18
Flu x toward electrode (m
1E19
1E18
H SiH3 SiH2 Si2H5 H SiH3 SiH2 Si2H5 H SiH3 SiH2 Si2H5
closed circles : 760 mT 1E17 closed triangles:1520 mT open triangles : 2280 mT
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 20
8.0e21
SiH4 density at 2280 mTorr 100 sccm H2 / 20 sccm SiH4
2.5x10
16
6.0e21
sccm SiH4 in 100 sccm H2
4.0e21
1.4 1.2
2.0e21
Dep.Rate (nm/s)
H2 + e
760 mTorr 1520 mTorr 2280 mTorr
Ne Nn Np
0.0 0 20 40 60 80 100
2H + e
2.0x10
EFFECT OF ADDING MORE SILANE
Adding SiH4 implies: Generation of more silane radicals: increase of fluxes to walls More comsumption of atomic hydrogen: decrease of H flux
The ion flux increases more than linear with power Ion bombardment becomes more intense with power (Ion energy could be reduced by using higher RF frequency)
CHANGE IN ELECTRONEGATIVITY
More power favours production positive ions and electrons Recombination reduces negative ion density At high power ions consume more power in the sheath Increase electron density causes decrease electron temperature
0.01 10 100
10
Power (W)
0.00 0 20 40 60 80
0 100
Power (W)
10.0e21
-3 Density (m )
SOME IMPORTANT PROCESSES
Electrons colliding with silane produce radicals: SiH4 + e SiH3 + H + e (17%) SiH2 + 2H + e (83%)
EFFECT OF INCREASE IN POWER
More efficient: deposition rate per Watt first increases Increase rate levels off due to depletion
10
BEHAVIOUR IONFLUX AND POTENTIAL
16
Central electron temperature (eV)
1.0x10
16
0.4 0.2 0.0
2.3 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5 0 20 40 60 80 100
Reactions at the walls (d.b. is “dangling bond”): SiH3 + H(ads) SiH3 + d.b. H + H(ads) H + d.b. SiH4 + d.b. a-Si:H layer (growth by sticking) H2 + d.b. H(ads)