脉冲放电等离子体
放电等离子体烧结技术讲解
材料合成与制备
ngmuir又进一步对低压气体放电形成的发光区，即阳
光柱深入研究，发现其中电子和正离子的电荷密度差不多 相等，是电中性的，电子、离子基团作与其能量状态对应 的振动。他在其发表的论文中，首次称这种阳光柱的状态 为“等离子体”。
等离子体特效图
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1930年，美国科学家提出利用等离子体脉冲电流烧结原理，但
在低压下产生，压力小于 1.33×104Pa 时，气体被撞击的几率减少，气体吸 收电子的能量减少，造成电子温度和 气体温度分离，电子温度比较高 （ 104K ） 而 气 体 的 温 度 相 对 比 较 低 （ 102~103K ），即电子与气体处于非 平衡状态。气体压力越小，电子和气 体的温差就越大。
1990年以后，日本推出了可用于工业生产的 SPS第三代产品，
具有 10~100t 的烧结压力和 5000~8000A 脉冲电流，其优良的烧 结特性，大大促进了新材料的开发。
1996年，日本组织了产学官联合的 SPS研讨会，并每年召开一
次。
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由于SPS技术具有快速、低温、高效率等优点，近几年国
随后上海硅酸盐研究所、清华大学、北京工业大学和武汉大学
SPS 作为一种材料制备的全新技术，已引起了国内外的广泛重
材料合成与制备
9.2 SPS合成技术原理
9.2.1
等离子体烧结技术的概念
等离子体 等离子体是宇宙中物质存在的一种状态，是除固、 液、气三态外物质的第四种状态。所谓等离子体就 是指电离程度较高、电离电荷相反、数量相等的气 体，通常是由电子、离子、原子或自由基等粒子组 成的集合体。
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图
9.2
放 电 等 离 子 体 形 成 的 机 理 示 意 图
脉冲电晕放电等离子体净化柴油机尾气的应用研究
丙烯醛 、 未燃醇等 ） Ｃ 及 Ｏ 等对人体 、 生物构成不 同程度的威胁 ， 而且 Ｈ Ｃ和 Ｎ 在一定条件下 ， Ｏ 受 太阳照射会发生一 系列光化 反应 。所 以， 油机 柴
尾气严重污染 了人 们 的工作与生活环境 ， 愈来 愈
引起 世 界范 围的关 注和重 视 。
微粒物中的可溶性 Ｈ （ Ｏ ） Ｃ Ｓ Ｆ 的含量及气态有害
物Ｈ Ｃ和 Ｃ ， Ｏ 但催 化氧化器工作的可靠性受排气 温度和燃油量 的影响很大 ， 常要求燃油含 硫量 通 低于 ０ ０ ％甚 至 ０Ｏ ％ ， ．５ ．１ 这大大提 高了油价 （ 成 本） 又增加 了工 厂 Ｓ Ｏ 的污染排 放。采用过滤捕
好 的净化效果 ， 而且 能对 Ｎ Ｈ 、 Ｏ等有 害物 Ｏ 、ＣＣ 实现同步净化。这项技术 具有净 化效率高 、 能源 低 以及没有 二次污染 等特点 ， 发展前景 广阔 。 国
集净化 ， 通过碰撞 、 留、 截 扩散 、 沉降等机理能获得
５％ ～ ０ ０ ８％的净化效率 。但其致命弱点是柴油机 排气背压增高 ， 需定期清灰再生 ， 而且再生系统复
离的体系 ， 形成低温等离子体 ， 也可以称为非平衡 等离子体。
低温等离子体技术具有 处理流程短 、 效率高 、
严格的排放标准 ， 而且不产生其他有害气体 ， 负效 应少 。随着对 环境污染治理 要求提 高， 等离子体
活化法的优越性 与先进性进 一步显 现， 成为一项 引人注 目的高新技术。
许多技术已经商业化 ， 取得 了很好 的经济 效益与
高功率脉冲氙灯中的等离子体放电通道
由于同时 具有高 亮度 、 高效 率 、 长寿命 与易 操作 等混合 优势 ， 冲氙灯被 广泛 用作 固体 激光 器 的泵浦 源Ⅲ ， 脉 故 在激 光惯性 约束 聚变 （Ｃ ） Ｉ Ｆ 装置 中脉 冲氙 灯常 常作 为 主要 的光 学器 件 之一 。当今运 行 及 在 建 的大 多数 Ｉ Ｆ Ｃ
实验 中采用 的脉冲氙 灯长 １８ ０ｍｍ， ０ 内直 径 ４ ８ｍｍ。实验 针对两 串联 氙灯展 开 ， 氙灯 的实 际布 置方式 如
１ 实 验 装 置
实验装 置 的原理 图如 图 １ 示 。整个 电源 系 所
统 由充 电模 块 、 储能 模块 、 冲整 形 电感 与 负载 ３ 脉 部分 组成 。在 储能模 块 中存在 两个并 联 的储 能 单 元， 分别 用于 产 生 预脉 冲与 主 脉 冲 。每 个 储 能 单 元都 由储 能 电容器 与引燃 管 串联组 成 。负 载部 分 由脉冲 氙 灯 阵 列 与 反 向截 止 电 力 二 极 管 并 联 组
成 。主储 能单 元 通 过整 形 电感 与 负 载 串 联 ， 预 而
脉 冲储 能模块 与 负 载 直接 相 连 ， 靠 线 路 电感 产 依 生 预放 电脉 冲 。预放 电储 能 电容 器 有 ４ Ｆ与 ２ ３
Ｆｉ ． Ｓ ｈ ｍａ ｉ ｉ ｇ ａ ｏ ｘ ｅ ｉ ｎ ｅ ｕ ｇ １ ｃｅ ｔ ｄ ａ ｒ ｍ ｆ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔｓ ｔ ｐ ｃ
子 体 通 道 分 叉 现 象 。研 究 发 现 ， 冲 氙 灯 工 作 环 境 中的 电 场 分 布对 氙 灯 内等 离 子 体 通 道 的形 成 与 演 化 特 性 将 脉
产 生 十 分 重 要 的 影 响 ， 决 定 了等 离 子 体 通 道 的 形 态 。其 他 影 响 因 素则 通过 改变 放 电通 道 的亮 度 、 匀 度 与 充 其 均
水下等离子体声源脉冲放电光谱测量与分析
ｄｓ ｎ ｅｏ ｅｔ ｄ ｐ， ｅｓｅｔ ｍ ｍｐｉ ｄ ｎ ｓ ａｆ ｅｋｗｉｔ ｉ ｃｅｓ．ｆ ｃｅｓ ｅｇｐｄｓ ｎｅ ｉａ ｃ ｆ ｌｃ ｏ ｅｔ Ｓｔ ｐ ｃ ｕ ａ ｌｕ ｅａｄｉ ｌｐ ａ ｄ ｗ ｌｉ ｒａｅ Ｉ ｉ ｒａｅｔ ａ ｉ ｃ ， ｔ ｅ ｒ ｉ ｈ ｒ ｔ ｔｈ ｈ ｌｎ ｗｅ ｎ ｈ ａ ｔ ｈ ｉ ｔ ｅｇ ｔｅｌ ｈ ｎｒ ｗｉ ｒａ ｏｔ ａ ｕｔ ｖｏｅ ｚｎ ｌ ｎ ｆ ｅｃａ ｇ ｈｅｓ ｅ ｔ ｇ ｅ ｙ ｌｓ ｅｄｔ ｈ ｒ ｌａ ｉｌ ｏ ｅ Ａ ｄｉｗ ｈ ｅｔ ｔ ｌｉ ｔ ｏｐ ｒｉ，ｈ ｅｔ ｍ ｅ ｌｐ ｅｆ ｒ ｔ ｎ ｅ ｐｗｉ ｃｐ ｅ ｔ ｔｅｓ ｃｒ ｅ ｒ ｈ ｐ ｐ ｕ ｎｇ ｙ
Ｓ ｅ ｔ ｕ Ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔ ｎ ａｙ ｉ ｆ ｐ ｃ ｒ ｍ ａ ｕ ｅ ｎ ｄＡｎ ｌ ｓｓｏ ｄ ｒ ｔ ｒ ａ Ｕｎ ｅ ｗａ ｅ
Ｐｌ ｓ ａ Ａｃ ｕ ｔｃ Ｓｏ ｃ ｌ ｅＤｉ ｃ ｒ ｅ ａ ｍ ｏ ｓ ｉ ｕｒ ｅ Ｐｕ ｓ ｓ ｈａ ｇ
ａ ｏ ｓｉ ｖ ｙ ＨＲ４ ０ ＣＧ・ ｃ ｕ ｔ ｗａ ｅ ｂ ｃ ００ － ＵＶ－ Ｒ ｐ ｃ ｒ ｍｅ ｅ ｎ ・ ＮＩ ｓ ｅ ｔｏ ｔ ｒ ｄ ＮＩＰＣＢ ｓ ｎ ｏ ， ｎ ｌ ｚ ｄ ｔ ｅ ｅ ｅｇ ａ ｓｏ ｍａ ｉ ｎｒ ｌｔ ｎ ｈ ｐ ａ － ｅ ｓ ｒ ａ ａ ｙ ｅ ｎ ｒ ｙ ｔ ｎ ｆ ｒ ｔ ｅａ ｉ ｓ ｉ ｈ ｒ ｏ ｏ
增 大电极 间隙距 离，将使发 光能量向远紫外 区移动；更换 电极材料将 明显 改变光的谱 分布和强度 变化 。
关键词 ：等 离子体 声源；水下脉冲放 电；光谱；测量与分析
中图分类号 ：Ｔ ６ ４ ３１ Ｂ５ ；０ ３ ． 文献标志码 ：Ａ ｄ ｉ ０３ ６ ￣ｉ ｎ１ ０ ．０ Ｘ．０２０ ． ６ ｏ ：１ ． ９ ．ｓ ． ３５ Ｉ ２ １．１ ０ ９ ｓ ０ ０
气体放电的主要形式
气体放电的主要形式一、电晕放电电晕放电是一种在电极周围形成辐射状光晕的放电形式。
当电压升高到电晕放电阈值时，电极周围的电场强度足够强，使电极附近的气体分子电离和激发，产生电子和正离子。
这些电子和离子通过碰撞和俘获电子的过程，导致电晕放电区域内的气体发光，形成光晕。
电晕放电常见于高压线路和电晕灯中，具有稳定性好、能耗低的特点。
二、辉光放电辉光放电是一种在电极附近形成均匀辉光的放电形式。
当电压升高到辉光放电阈值时，电极附近的电场强度足够强，使气体分子电离和激发，产生电子和正离子。
这些电子和离子经过长距离的自由运动后，与其他气体分子碰撞，再次激发和电离，最终导致整个放电区域内的气体发光。
辉光放电常见于荧光灯、气体放电显示器和气体激光器等装置中，具有均匀亮度和较高的放电稳定性。
三、电弧放电电弧放电是一种高能放电形式，具有强烈的光和热效应。
当电压升高到电弧放电阈值时，电极附近的电场强度足够大，使气体分子电离和激发，产生电子和正离子。
这些电子和离子在电场的作用下，加速运动，形成电子和离子流，即电弧。
电弧放电常见于焊接、电弧灯和电弧炉等场合，具有高能量密度和高温度的特点。
四、等离子体放电等离子体放电是一种高度电离的气体放电形式，具有丰富的物理和化学特性。
当电压升高到等离子体放电阈值时，电极附近的电场强度足够大，使气体分子电离和激发，产生电子和正离子。
这些电子和离子在电场的作用下，以及与其他等离子体粒子的碰撞，形成高度电离的等离子体。
等离子体放电广泛应用于等离子体显示器、等离子体喷涂和等离子体刻蚀等领域，具有可控性好和反应速度快的特点。
五、脉冲放电脉冲放电是一种以脉冲形式工作的放电形式，具有高能量和高频率的特点。
脉冲放电通常通过将高电压脉冲施加在电极上，使气体分子电离和激发，产生电子和正离子。
这些电子和离子在电场的作用下，以及与其他气体分子的碰撞，形成脉冲放电。
脉冲放电广泛应用于等离子体切割、等离子体喷涂、光谱分析和生物医学领域，具有高精度和高效率的特点。
【转】等离子体技术【一】--脉冲技术
【转】等离⼦体技术【⼀】--脉冲技术本⽂介绍了脉冲等离⼦体技术在⼲法刻蚀领域的应⽤背景，从半导体制程⼯艺需求层⾯讲述了纳⽶量级的刻蚀制程对等离⼦体参数的需求。
重点对脉冲等离⼦体⼯作机制、脉冲匹配技术和脉冲等离⼦体诊断技术研究进展进⾏了论述。
关键词：⼲法刻蚀，等离⼦体损伤，脉冲等离⼦体1. 1. 引⾔伴随着摩尔定律的发展，半导体芯⽚的晶圆尺⼨越来⼤，,刻蚀的线宽也逐步缩⼩。
随着线宽的逐步降低，等离⼦体刻蚀过程导致的损伤问题⽇益突出。
这使得等离⼦体刻蚀过程需要满⾜如下要求：对衬底⽆损伤、更好的均匀性、更⾼的选择⽐、更好的各向异性和更⾼的产出等。
为了满⾜这些需求，⼈们积极研究⼀些新材料⽤于下⼀代集成电路，也同时促使⼯业界及学术界不断设计及研究适⽤于下⼀代的等离⼦体刻蚀技术，使等离⼦体源具有更多的调节⼿段、更宽的⼯艺窗⼝。
⼀般来说，等离⼦体损伤（PID）主要包含以下因素：（1）由于⾼能离⼦轰击晶⽚引起的表⾯物理损伤；（2）光⼦辐射轰击晶⽚引起的损伤；（3）等离⼦体⾮均匀性引起的损伤；（4）电荷分布的不均匀性引起的损伤；（5）各向同性的电⼦在⼤深宽⽐的顶部积累负电荷，定向的离⼦在沟槽的底部积累正电荷，这样也会导致 PID 的产⽣。
1. 2. 脉冲等离⼦体⼯作机制通常，等离⼦体刻蚀设备多采⽤连续波（CW）射频源，即射频源提供连续的功率或者电压激发等离⼦体。
在过去的⼆⼗多年⾥，⼀些研究者通过模拟及实验证明采⽤脉冲射频模式可以扩⼤等离⼦体参数控制窗⼝，可提⾼⼯艺过程控制的灵活性。
对于射频脉冲模式，主要有两个参数，⼀个是脉冲频率（pulse frequency），即射频源每秒开关的次数；另⼀个是占空⽐(duty cycle)，即脉冲开启的时间占整个脉冲周期的⽐例。
如图1所⽰：图1.脉冲调制等离⼦体作⽤⽰意图：(1): 脉冲初期；(2): 脉冲后期；(3): 后辉光前期；(4): 后辉光后期（duty cycle=ton/(ton+toff_）通过改变脉冲频率及占空⽐，可以实现对等离⼦体参数的调控，如离⼦密度、电⼦密度、电⼦温度、等离⼦体化学成分和等离⼦体电位等。
等离子体水处理技术 (I)
低温等离子体
等离子体 冷等离子体 如：极光、日光灯 热等离子体 如：电弧、碘钨灯
等离子体氧化机理
01
高能电子作用
03
紫外光分解作用
02
臭氧氧化作用
等离子体氧化机理
等离子体化学反应过程
低温等离子体废水处理技术是一种兼具高能电子辐射、臭氧氧化、紫外光分解等三种作用于一体的废水处理技术。 三种方法协同作用时，处理效果优于各方法单独作用。
固体 冰
00C
液体 水
1000C
气体 水汽
100000C
等离子体 电离气体
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宇宙中90％物质处于等离子体态
星云 极光 太阳表面 闪电
美国宇航局提供的照片-----南极上空的椭圆形极光
人造等离子体
日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器；
01
工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理；
焦化废水和垃圾渗滤液
实验对象：
将废水装入反应器中，经空心正电极送入压缩空气进行放电，总的持续时间为30分钟，当放电进行到20分钟时进行一次采样，然后放电结束时再次进行采样，最后将处理后水样的各种指标与原水的指标进行对比从而得出一些结论。
实验步骤：
实验结论
焦化废水
分析表明：
处理20分钟与处理30分钟水样的各项指标变化不大； 处理20分钟后各项指标的去除率：COD降低了62.2%，BOD降低了65.2%，PH值基本保持不变。
种珊
等离子体水处理技术
Adjust the spacing to adapt to Chinese typesetting
主要内容
高压脉冲放电等离子体水处理中的放电方式及其应用
随着 工业 的迅 猛 发 展 ， 于 难 降 解 的 有 机 废 水 ， 规 水 对 常
ＲＨ ＋ 。 ０Ｈ— Ｒｉ 。＋ Ｒ２ Ｏ ＯＯＨ ＲＨ ＋ ’ ０Ｈ— Ｒ’＋ Ｈ ０ ２
处理 技 术 很 难 使 其 有 效 降 解 。 近 年 来 出 现 了 一 些 以 产 生 氧
化 自由基 为主 的 高级 氧 化水 处 理 技 术 ， 冲放 电 等离 子 体 水 脉
Ｔｈ ｅ Ｆｏｒ ｆＤｉｃ ｒ ｅ ａｎ ｔ ｐｌ ａｉ ｎ ｉ ａｅ ｅ ｍｅ ｉｇ Ｈｉｈ — ｖ ｌａ ｅ Ｐｕｌｅ ｓ ｈ ｒ ｅ Ｐｌｓ ａ ｍ ｏ ｓ ｈａ ｇ ｄ Ｉｓ Ａｐ ｉ ｔｏ ｎ Ｗ ｔｒ Ｔｒａｔ ｎｔＵｓｎ ｇ ｃ ｏ ｔｇ ｓ ｄ Ｄｉｃ ａ ｇ ａ ｍ
摘
要
介 绍 了高 压 脉 冲 放 电 水 处 理技 术 的 原理 ， 述 了 已有 的放 气 液 混 合 放 电 ３ 综 包 液
种 方 式 ， 绍 了 近 年 来 国 内 外 对 各 放 电 方式 的 应 用 。讨 论 了各 放 电方 式 的特 点 ， 提 出 该 领 域 有 待 进 行 的 研 究 工 作 。 介 并 关键词 放电 水处理 等 离 子 体
高 效 、 二 次 污 染 的 水 处 理 技 术 受 到 各 国学 者 越 来 越 多 的 关 无
注 ， 为水处理领域中最有发展前途的水处理技术之一 。 成
应 ， 部 分 使 大分 子 物 质 变 成 小 分 子 ， 而 提 高 难 降 解 物 质 或 从 的 可 生 化 性 ， 至 最终 将 其 去 除 。 同 时 放 电 过 程 产 生 的 紫 外 乃 光 一 方 面 单 独 作 用 分 解 有 机 物 ， 一方 面 和 臭 氧 联 合 作 用 分 另
放电等离子体烧结技术
1 放电等离子体烧结的工艺 1.1放电等离子体烧结的设备
一般放电等离子体烧结设备主要由三部分组成
产生单轴向压 力的装置和烧 结模具，压力 装置可根据烧 结材料的不同 施加不同的压 力；
脉冲电流发生 器，用来产生 等离子体对材 料进行活化处 理
电阻加热设备
材料合成与制备
SPS装置的结构示意图
图1 为其装置简图。图2 为SPS 的电压、电流及外加压力与烧结 时间的关系曲线。其电流曲线主要由三段组成: (1) 脉冲大电流; (2) 稳态小电流; (3) 停止放电间隙。在稳态电流阶段, 仅施加很小 的压力; 放电间隙阶段施加大压力。
分电流加热模具，使模具开始对试样传热，试样温度升高，
开始收缩，产生一定的密度，并随着温度的升高而增大，
直至达到烧结温度后收缩结束，致密度达到最大。
材料合成与制备
1.3 等离子体烧结工艺参数的控制
烧结气氛 烧结气氛对样品烧结的影响很大（真空烧结情况除外）， 合适的气氛将有助于样品的致密化。
材料合成与制备
烧结温度 烧结温度的确定要考虑烧结体样品在高温下的相转变、
晶粒的生长速率、样品的质量要求以及样品的密度要求。一 般情况下，随着烧结温度的升高，试样致密度整体呈上升趋 势，这说明烧结温度对样品致密度程度有明显的影响，烧结 温度越高，烧结过程中物质传输速度越快，样品越容易密实。
但是，温度越高，晶粒的生长速率就越快，其力学性能就越差。而 温度太低，样品的致密度就很低，质量达不到要求。温度与晶粒大小 之间的矛盾在温度的选择上要求一个合适的参数。
业株式会社生产，SPS-1050）。
材料合成与制备
等离子体烧结技术的概念
等离子体 等离子体是宇宙中物质存在的一种状态，是除固、
纳秒脉冲气体放电机理研究进展浅谈
纳秒脉冲气体放电机理研究进展浅谈深圳三和科技的小编将以材料表面改性、主动流动控制、点火助燃和甲烷转化为代表给大家介绍脉冲等离子体应用研究进展。
最后结合脉冲放电等离子体研究现状的分析,展望了大气压脉冲气体放电与放电等离子体应用的发展趋势。
1.1 纳秒脉冲气体放电机理脉冲放电机理的研究是推动应用技术发展的关键。
常规条件下高气压气体放电通常可以用流注理论解释。
流注理论考虑空间电荷对放电过程的影响,空间电荷是光子出现、二次电子崩产生、流注形成、气隙击穿的重要因素,通常光子的寿命为10-8 s量级,如果发展到临界电子崩的时间小于光子的寿命时,流注理论在解释放电机理时已经存在一定的局限性。
目前研究人员基于高能量快电子的逃逸击穿及逃逸电子和X射线对放电发展过程的影响提出了多种假说,如电子崩链模型、快电子和慢电子两组模型、电子倍增模型和快速电离波击穿模型等。
其中电子崩链模型强调当主电子崩发展到临界值时,主电子崩发展减缓,甚至中断,这时崩头中的部分高能量电子(逃逸电子)逃逸出电子崩,并在崩头形成二次电子。
电子崩链贯穿间隙后,但其电导率较小,不能形成击穿通道,需要二次过程,该过程由阴极上的光电效应来决定。
电子倍增模型认为经典的流注机理的E/N值不仅有下限,而且也应有上限。
模型中快电子逃逸出电子崩后,电离气体间隙,撞击阳极电离产生二次电子,导致电子数目的连续倍增。
两组模型的关键是快电子,其脱离电子崩的能量阀值取决于施加的电场强度、气压和气体介质。
电场强度越高,阀值能量越低,能逃逸出电子崩的电子数目越多。
基于快速电离波模型的研究多数在低压下的气体放电管中完成,且间隙距离一般是几十cm,比较适合长间隙放电机理分析。
这些假说大多基于各自的实验条件能够较好地解释实验现象,彼此之间仍存在差异,但均认为放电发展过程中二次电子的产生不再依赖空间光电离,而是基于电子崩发展中产生的高能量电子引导放电发展过程建立起来的。
因此,纳秒脉冲气体放电机理的研究集中在基于高能电子逃逸击穿的参数测量与模型建立。