等离子体电子工程(20)—等离子体的生成方法I
等离子概述
机械工业方面的应用
• 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，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
• 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,可将火力发电站的热效率由30一40 % 提高到 50 一60 %多。 • 在受控核聚变中的应用
高电压工程基础
高电压工程基础
第0章 放电等离子体概述
0.1 什么是等离子体 0.2 等离子体的特性 0.3 等离子体的产生 0.4 等离子体的应用
高电压工程基础
0.1 什么是等离子体 固体 冰 液体 水 气体
水汽
等离子体
电离气体
00C
1000C
100000C 温度
等离子体（又称电浆）是在固态、液态和气态以外的第四大物质状态， 其特性与前三者截然不同
高电压工程基础 化学工业和材料工业方面的应用
• 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 • 熔炼高温金属, 熔化难熔化合物, 进行金属的重熔精炼 • 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 • 改善吸水性。 染色性、粘结性、生物亲和性等。有利于短期内 产品更新, 适用于化纤、塑料、橡胶以及皮革等
等离子体的产生与性质
等离子体的产生与性质等离子体，是由离子和自由电子组成的物质状态，广泛存在于宇宙中的各种天体和地球上的许多自然现象中。
它是一种高度激发的、高能量的状态，具有许多独特的性质和应用。
本文将探讨等离子体的产生与性质，为读者提供一些基础知识。
一、等离子体的产生等离子体的产生主要有三种方式：热激发、电子撞击和辐射。
1. 热激发当物质受到高温加热时，其中的原子和分子会获得足够的热能，使电子从原子中被剥离，形成自由电子和带正电的离子。
这种热激发的等离子体常见于太阳、恒星以及高温等离子体实验等。
2. 电子撞击在高能电子的撞击下，原子的电子会被击出，形成电离的原子和自由电子。
这种电子撞击的等离子体广泛存在于放电现象中，例如闪电放电、等离子体显示器等。
3. 辐射在高能辐射，如紫外线、X射线、高能粒子束等照射下，原子和分子会发生电离，产生电离的原子和离子。
这种辐射产生的等离子体常见于太阳风等。
二、等离子体的性质等离子体具有一系列独特的性质，深受科学界和工业界的关注与应用。
1. 导电性等离子体中带正电的离子和自由电子的存在使其具有良好的导电性能。
这使得等离子体成为高能物理研究中的重要工具，并广泛应用于电子器件、等离子体喷涂、核聚变等领域。
2. 准中性性质尽管等离子体中存在带正电的离子和带负电的自由电子，但总体上它的电中性仍然保持。
这种准中性的性质使得等离子体能够传递电磁波，并可应用于等离子体显示器、激光器和通信技术等领域。
3. 高温性等离子体中的电子和离子带有高能量，在自由碰撞过程中能够释放巨大的热能。
因此，等离子体往往处于高温状态，并显示出与常温材料截然不同的性质。
这使得等离子体成为核聚变、等离子体焊接等高温技术的基础。
4. 碰撞性等离子体中的电子和离子之间发生碰撞，由于它们的高速运动而产生碰撞性。
这种碰撞将能量传递给其他粒子，并在等离子体中产生电流、加热等效应。
这种碰撞性使得等离子体成为高密度等离子体实验和等离子体工程的重要研究对象。
等离子技术
一．等离子概念什么是等离子体呢?简而言之，等离子体就是能导电的气体。
物质的这一新的存在形式是经气体电离产生的由大量带电粒子(离子、电子)和中性粒子(原子、分子)所组成的体系，因其总的正、负电荷数相等，故称为等离子体。
继固态、液态、气态三态之后列为物质的第四态—等离子态。
二．等离子与其他气体的区别等离子体与气体的区别：首先，气体通常是不导电的，等离子体则是一种导电流体而又在整体上保持电中性。
其二，组成粒子间的作用力不同，气体分子间不存在净电磁力，而等离子体中的带电粒子间存在库仑力，并由此导致带电粒子群的种种特有的集体运动。
第三，作为一个带电粒子系，等离子体的运动行为明显地会受到电磁场的影响和约束。
三．等离子体现象和其应用：在大气的外层，由于太阳和宇宙射线的作用，形成一层电离层，就是等离子体，使得无线电波的远距离传送得以可能；闪电也能形成瞬间等离子体；日光灯是利用等离子体的辐射特性而研制的，它具有发光柔和，节能等特点；等离子体显示器技术。
传统的显示器包括显像管和液晶显示器，两者在独具优点的同时，又各有缺陷或局限，难以满足显示技术的新需求。
等离子体显示器的诞生，为显示技术开辟了一个新的天地。
它们的优点是体积小、重量轻、图像清晰，可制成超薄平板式等，并可突破传统的显像管和液晶显示这样分明的界限，实现两者的融合贯通四．等离子体定义在一定的压力下，宏观物质随温度升高由固态变成液态，再变为气态(有的直接变成气态)。
当温度继续升高，气态分子热运动加剧。
当温度足够高时，分子中的原子由于获得足够的动能，便开始彼此分离。
若进一步升高温度，原子的外层电子会摆脱原子核的束缚成为自由电子。
失去电子的原子变成带电的离子，这个过程称为电离。
发生电离(无论是部分电离还是完全电离)的气体称之为等离子体(或等离子态)。
它与我们熟悉的三态一样，是物质存在的另一种状态。
所以，人们又把等离子体称为物质第四态，或称为等离子态。
等离子体是由中性原子或分子、激发态的原子和分子、自由基、电子或负离子以及辐射光子组成，其中正电荷总数和负电荷总数在数值上相等，所以称为等离子体。
等离子体物理：等离子体产生与性质
电离的粒子质量计算成分
点是受仪器性能和测量条件限制
• 探针诊断法：通过测量等离子体中探
• 探针诊断法：优点是测量精度高，缺
针的电压信号计算成分
点是受探针位置和形状影响
04
等离子体的稳定性与输运
性质
等离子体的稳定性及其影响因素
影响因素
• 电离程度：电离程度越高，等离子体越稳定
• 温度：温度越高，等离子体越稳定
激光诱导击穿法产生等离子体
01
02
激光诱导击穿法
应用
• 通过激光束聚焦在材料表面，产
• 等离子体加工：利用激光诱导击
生高温高压区，使材料电离
穿法产生等离子体
• 等离子体光谱分析：利用激光诱
温度高，能量密度大，可控性好
导击穿法产生的等离子体进行光谱分
析
化学放电法产生等离子体
影响因素
• 电离程度：电离程度越高，等离子体的电导率越高
• 温度：温度越高，等离子体的热导率越高
• 压力：压力越高，等离子体的扩散系数越低
等离子体与壁面的相互作用
01
相互作用
• 指等离子体与容器壁、电极等固体物表
面的相互作用
• 相互作用包括吸附、溅射和气体分子的
再结合等过程
02
影响
• 等离子体的能量损失：与壁面相互作用
等离子体密度的测量方法
测量方法
优缺点
• 吸收光谱法：通过测量等离子体对光
• 吸收光谱法：优点是测量精度高，缺
的吸收程度计算密度
点是受光谱仪分辨率限制
• 激光干涉法：通过测量等离子体的折
• 激光干涉法：优点是测量速度快，缺
射率变化计算密度
点是受激光源和探测器性能限制
等离子体的形成
标题：等离子体的形成及其重要性引言：等离子体是一种高度激发的物质状态，具有广泛应用于科学、工程和工业领域的特殊性质。
本文将深入探讨等离子体的形成过程，其在自然界和人类社会中的重要性。
一、等离子体的定义与性质（200字）1. 等离子体是由带电粒子组成的第四态物质，包括正离子、负离子和自由电子。
2. 等离子体具有高度激发的能级结构，能够表现出独特的电磁性质和输运特性。
3. 等离子体在高温、高压或强电场下形成，并具有较高的电导率和低的阻抗。
二、等离子体的形成过程（500字）1. 加热离子化：在高温条件下，原子或分子的电子被激发或剥离，形成正离子和自由电子。
这种离子化过程可以通过热激发、碰撞或光激发来实现。
2. 辐射电离：当高能射线如紫外线、X射线或伽马射线通过介质时，它们能够剥离原子或分子的电子，形成正离子和自由电子。
3. 电离碰撞：在强电场或高能粒子束的作用下，原子或分子的电子被加速并与其他粒子碰撞，从而发生电离。
4. 化学反应：某些化学反应中的高能物质可以导致电离和等离子体的形成。
例如，在火焰中产生的等离子体。
三、等离子体的应用领域（500字）1. 物理学研究：等离子体在天体物理学、核物理学和等离子体物理学等领域中具有重要作用。
通过对等离子体的研究，科学家可以深入了解宇宙中的星云、太阳风、恒星和星系等天体现象。
2. 能源技术：核聚变是一种利用等离子体进行的高效能源产生方式。
通过控制和维持等离子体状态，可以实现可持续、清洁的能源供应。
3. 光电子学：等离子体可以用于产生激光、等离子体显示器、等离子体刻蚀等光电子学应用。
这些应用在通信、显示技术和微电子制造中起着重要作用。
4. 工业加工：等离子体的高能特性使其成为材料表面改性、涂层沉积和气体处理的理想工具。
等离子体切割、焊接和清洗等工业过程也广泛应用于金属加工和半导体制造等领域。
5. 医学应用：等离子体在医学领域中用于癌症治疗、细胞消毒和生物材料表面改性等方面。
等离子体技术在各行业中的应用
等离子体技术在各行业中的应用摘要：随着科技的进步，等离子体技术得到了飞速的发展，同时也在各行业中得到了广泛的应用，且变得越来越重要。
本文对等离子体技术在各行各业中的应用进行了简要阐述，同时对一些应用中的存在的问题进行阐述和给出一些合理化建议。
关键词：等离子体；应用1 引言等离子体是物质的第四态，在等离子体空间里含有丰富的离子、电子、光子、激发态的原子、分子及自由基等极活泼的反应性物种。
自20世纪70年代初以来,人们基于对等离子体中各种粒子化学活性的控制和利用，深入地探索物质在等离子体态进行化学反应的特征和规律性。
同时在化学合成、薄膜制备、表面处理、军事科学、精细化学品加工及环境污染治理等诸多领域，在原有工艺技术基础上巧妙而有效地引入等离子体技术，促成了一系列工艺革新和巨大的技术进步。
1.1等离子体定义等离子体(Plasma)是物质的一种部分电离的状态，是气体在加热或强电磁场作用下电离而产生的，主要由电子、离子、原子、分子、活性自由基及射线等组成。
被称为继“固、液、气”三态以外的新的物质聚集态，即物质第四态，因其中的正电荷总数和负电荷总数在数值上总是相等的故称其为等离子体[1]。
宇宙中99．9％的物质处于等离子体状态。
对于自然界中的等离子体有太阳、电离层、极光、雷电以及满天星斗等。
在人工生成等离子体的方法中，气体放电法比加热法更加简便高效，诸如荧光灯、霓虹灯、电弧焊等等。
图1.1给出了主要类型的等离子体的密度和温度的数值。
从密度为106个粒子/m3稀薄星际等离子体到密度为1025个粒子/m3的电弧放电等离子体，跨越近20个数量级。
其温度范围则从100K的低温到超高温核聚变等离子体的108～109K[2]。
1.1 各种等离子体的密度和温度1.2等离子体的分类等离子体可分为热力学平衡状态等离子体和非热力学平衡状态等离子体。
当电子温度Te与离子温度Ti及中性粒子温度Tn接近相等时，等离子体处于热力学平衡状态，称之为平衡等离子体(equilibrium plasma)或者热等离子体(thermal plasma)。
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。
等离子体的原理和应用
等离子体的原理和应用1. 等离子体的定义和特点•等离子体是一种高度电离气体，其原子或分子已失去一个或多个电子，呈现出带正电的离子和带负电的电子混合在一起的状态。
•等离子体具有高温、高能量、高离子密度的特点，能够产生强烈的辐射、电磁场和电子束等物理现象。
•等离子体存在于自然界中的闪电、太阳等高温环境中，并且在大气、星际空间和实验室中也能被制造出来。
2. 等离子体的形成和维持机制•等离子体的形成主要通过加热气体或施加高电压来提供足够的能量，使原子或分子中的电子脱离束缚，形成离子和自由电子。
•加热气体可以采用高温电弧、激光加热等方式，而施加高电压常常通过电离装置或等离子体反应室来实现。
•一旦形成的等离子体，可以通过电磁场或高温等外界能量源维持其电离状态，并且也可以通过与周围物质的相互作用来维持等离子体的存在。
3. 等离子体的分类和性质•等离子体根据温度和电子密度的不同，可以分为热等离子体和非热等离子体。
–热等离子体：具有高温和高电子密度，如太阳等恒星的等离子体。
–非热等离子体：具有较低温度和低电子密度，如气体放电和等离子体反应室中的等离子体。
•等离子体还可以根据其成分和形态进行分类，如等离子体可以由气体、液体和固体形成，也可以由正离子、负离子或中性离子等组成。
•不同类型的等离子体在物理特性和应用方面具有差异，因此对于不同的需求，选择合适的等离子体进行研究和应用十分重要。
4. 等离子体在科学研究中的应用•等离子体在物理学、化学和天文学等领域具有重要的研究价值。
•物理学家利用等离子体可以模拟太阳和星际空间中的等离子体环境，以解析宇宙的起源和演化等问题。
•化学家借助等离子体的高能量和高反应性质，开发新的化学过程和合成方法，有助于制备高品质材料和化学品。
•等离子体在天文学中的应用主要体现在观测和解释恒星的辐射谱线和行星大气层中的等离子体现象。
5. 等离子体在工业和技术领域的应用•等离子体在工业和技术领域有广泛的应用，如等离子体切割、等离子体焊接和等离子体表面处理等。
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b 点后，电流迅 达到真正放电中的那种电流持续流动的状态。在超过○ c 点就是所谓的放电着火状态，对应的电压 速增大而达到汤生放电。○
是 4.2 节中讲过的着火电压。 在图 5.3 中，放电从 c 点开始后会进入电流增加而电压下降的 c 至 d 点的阶段（前期辉光放电） 。产生这样的负阻现象（ dV / dI 0 ） 是因为等离子体电阻（ V / I ）随等离子体密度增加而变小。若我们再 增大电流， 那么放电就会进入电压一定的 d 至 e 阶段 （正常辉光放电） 。 造成这种定电压特性的原因是，电流密度 j 一定、面积 A 增加而导致 总电流 I Aj 增大。但是，电流超过流过全部阴极面积的 e 点后，放 电就要进入电流密度 j 增加而导致整个电流增大的 e 至 f 阶段（反常 辉光放电） 。 在以上放电开始的 c 点至 f 点的过程中，我们可以看到等离子体 的辉光现象，故这种放电称为辉光放电（glow discharge） 。进一步增 大电流，电压 V 会下降到电离电压值附近而到达 g 点，从而引起电 弧放电。对于这种从辉光到电弧（arc），这使等离子体的生成与维持变得困难。为解决这个问题，除了 上面说到的使用空心阴极的方法之外，利用磁场也是一种有效地方 法。这里 PIG 放电就是其中之一。它在压强低至 104 Pa 的情况下都可 以工作，并在溅射离子真空泵中得到应用。PIG（Penning ionization gauge）这个名称，来源于潘宁发明的冷阴极电离真空计。实际放电 装置的例子如图 5.2 所示，圆筒状阳极的轴向磁场（0.05~0.2T）是通 过给电磁线圈通电来获得的。 离子轰击位于轴方向两端的阴极面使得 二次电子逸出，这些二次电子在鞘层中被加速后沿磁力线方向运动。 它们一旦接近对面阴极，就会在该阴极鞘层中被加速后反射回来，即 电子被两阴极间的势阱限制在磁力线方向上。另一方面，磁场会有效 的抑制电子横跨磁力线在径向的扩散损失。于是，高能量电子的寿命 会变得较长，即使在低气压条件下也完全可能维持等离子体。 利用磁场的另一个方法是磁能管放电。其中，从阴极表面逸出的 二次电子被磁场捕捉，形成 EB 漂移，它们的寿命因此变长。我们在 5.5 节中要对这种放电进行详细叙述。此外，利用表面磁场的方法也 是有效地。
图 表面磁场及作用 5.1.2 直流放电模式 对标准的直流放电模式【图 5.1（a） 】的研究由来已久。在 1Torr 左右的压强下测量这种放电过程中电极间的电压 V 和电流 I 的关系，
a 点至○ b 点的开始阶段，电流随着电 不难得到图 5.3 的结果。在途中○
压的升高而增加。这时的微弱电流（称为暗流）是不稳定的，还没有
增加从阴极逸出的电子数量将使放电的起始和维持变得容易， 这
样既可以降低外加电压又可以增大电流。为此，最简单的方法是采用 图 5.1（b）所示的直热式阴极的方法。这时，把钨等高熔点金属加热 到 2500 C 左右会导致热电子逸出。如果阴极表面采用低逸出功的物 质（ BaO, LaB6 等） ，那么即使温度较低（900~1599℃）条件下也可以 得到大量的热电子。例如，图 5.1（c）中所示的从涂有 BaO 的阴极 背面进行间接加热的旁热式热阴极就是一种常用方案。 与无加热的冷 阴极放电相比，这样的热阴极放电在 0.1Pa 的低气压下也可以维持， 并且电流密度可以增大几个数量级。此外，如果放电电压下降到与电 离电压相当的程度，那么在潘宁效应较强的时候，放电电压有时还可 以进一步下降到电离电压的三分之一到五分之一。 另外，图 5.1（d）所示的阴极是一端封闭而另一端敞开的直径约 为 1cm 的细圆筒空心（hollow）电极。采用这种阴极可以增加电流密 度从而得到高密度的等离子体，对应的放电称为空心阴极放电。这种 放电是通过下述机理来提高电离效率的。 空心阴极因离子轰击而发射 出的二次电子，由于鞘层的作用在半径方向上被加速，平均自由程 e 大于圆筒直径 d 的二次电子会更接近相反一侧的阴极面。这时，若该 阴极表面鞘层厚度 dc d / 2 ， 则在鞘层内损失掉动能的电子将被反射， 朝着原来一侧的阴极面作加速运动。 即， 势阱中高能量的电子被约束， 其寿命会因此变长；电离次数的增加会提高等离子体密度。因为阳极 有吸收电子的作用，所以采用面积尽可能大的阴极来覆盖等离子体、 同时减少阳极的面积，对加强空心阴极的效果是很重要的。 在低于 1Pa 的低气压条件下，平均自由程变长，电离碰撞的机会
补充：表面磁场对等离子体的约束作用 沿着放电容器排列大量的永久磁铁， 在容器表面会形成局部磁场 （即称为表面磁场或多极磁场） ，这可以实现放电等离子体的低气压 化、高密度化和均匀化。下面的左图表示了圆筒形容器的外侧按 N 几、S 极相互交叉方式排列着磁铁棒（ B0 0.1T ）的构造截面图。从 图中磁力线的形状可以看到，所谓的线会切形（line cusp）磁场是对 应于一对 N 和 S 而出现的。这种磁场集中在离容器壁表面 1cm 以内 的范围内，其强度随着离开磁铁表面而迅速减弱，所以可认为等离子 体内部几乎不存在磁场。另外，虽然这种磁场能有效的影响电子的运 动，但是对于质量较大的离子来说，拉莫尔半径很大，几乎是在作直 线运动，所以这种磁场对离子不起作用。 电子从无磁场的等离子体中心区域扩散到容器壁附近时， 表面磁 场便会对电子形成如下的约束作用。首先，向着会切部前进的电子在 磁镜效应作用下被反射回中心区域，这时第一个反应。另一方面，若 从中心区域来观察表面磁场，磁力线在线会切部是朝着半径方向的，
但在其他大部分地方是沿着方位角方向的。所以，要沿半径方向上流 出的电子必须以近乎垂直的角度切割磁力线， 电子的扩散会受到很强 的抑制，这是第二个效应。第三个效应是容器壁附近的鞘层对电子的 静电反射作用（这是一般性的作用，并非一定是表面磁场的作用） 。 以上三方面效应的结合会有效地抑制电子在容器壁表面的损失， 因而 中心区域的等离子体密度上升。分布也变得较为均匀。 这种表面磁场的作用， 最初是把接地金属容器作为阳极而对热阴 极（灯丝）加负电压的直流放电中被发现的。如下面右图所示，磁场 的作用在低气压时是很显著的。如上所述，不仅限于直流放电，即使 在高频或微波放电中，表面磁场也是促进等离子体的高密度化、均匀 化和低气压化的一种有效手段。