等离子体吸收探针研制-脉冲功率与等离子体专业论文.docxVIP

华中科技大学硕士学位论文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 PAGE 1 PAGE 1 1 绪论 1.1 低温等离子体技术概述 1.1.1 等离子体物理学概述 等离子体，与大家熟知的固体、液体与气体三态，一并称为物质的四态。如果气 体加热到一定的程度，气体将会部分电离或完全电离，即原子的外层电子会摆脱原子 核的束缚而成为自由电子，失去外层电子的原子将变成带点的离子。当带点粒子的比 例超过一定程度时，电离气体将呈现出明显的电磁性质，其中的正离子与电子数目相 等，即等离子体。因此，我们定义等离子体是由电子、离子等带点粒子以及中性粒子 （原子、分子等）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 中性即指等离子体中的正离子与电子数目基本相等，系统在宏观上呈现中性，但在小 的尺度上仍然呈现电磁性；而所谓集体效应，则主要是突出反映了等离子体与中性气 体的本质区别——中性气体中粒子相互作用仅存在于粒子间的频繁碰撞，而等离子体 中带点粒子间的相互作用是长程库伦力的作用，任何带点粒子的运动状态均受到其他 带点粒子的影响，因此，等离子体会呈现出集体效应[1,2,3]。 固态、液态、气态仅仅存在于低温、高密度的参数区域中，而等离子体存在的参 数空间非常宽广，从星际空间的稀薄等离子体到太阳核心的致密等离子体，粒子数密 度从103 m ?3 到1033 m ?3 ；从火焰的低温等离子体到核聚变实验的高温等离子体，温度 从10 ?1 eV 到106 eV ，参数上分布十分广泛。根据印度天体物理学家沙哈的计算，宇宙 中有 99%的可见物质都处于等离子体状态下。只是由于地球特殊的自然条件，天然的 等离子体十分少见。 等离子体物理学的目的是描述等离子体的基本过程，研究内容包括等离子体的粒 子运动和流体运动、等离子体的波动与加热、等离子体的平衡与稳定性、等离子体的 约束和输运等等。由于其宽广的参数空间，等离子体物理学有着广阔的研究领域与应 用前景，其中就包括：高温等离子体物理与受控热核聚变、空间和天体等离子体物理、 低温等离子体物理及其应用等。不论是哪个方面，都还有着巨大的发展空前和我们未 知的许多研究领域[2]。 一般来说，等离子体按温度高低可分为高温等离子体和低温等离子体。高温等离 子体如宇宙中的各种星体以及热核聚变，它们都是被完全电离的。而低温等离子体都 是部分电离，气体温度都比较低。具体来说，低温等离子体是指电子温度主要在 1-20eV 之间，而电子密度在 1012 m?3 ~1025 m?3 之间的等离子体。 1.1.2 低温等离子体研究及应用 低温等离子体物理应用[4,5,6]的相关技术研究在近几十年来才得到一定的发展。但 由于其广泛的应用价值，已使其成为当前国际上重要的研究领域。 低温等离子体一般是在实验室和工业设备中通过气体放电或者高温燃烧而产生 的部分电离气体。它一般是弱电力、多成分，并且，和其他物质有着强烈的相互作用。 如果按物理性质来分，低温等离子体主要包括三类：1.热等离子体，即近局域热力学 平衡等离子体，主要是由读直流电弧放电与高频感应耦合放电方法产生的；2.冷等离 子体，即非平衡等离子体，主要是采用辉光放电、微波放电、电晕放电等方法产生的； 3.燃烧等离子体。其中，由于在工业上的广泛应用，热等离子体与冷等离子体被合称 为工业等离子体[2]。 低温等离子体物理的研究与应用，对高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨 大的影响。例如，全球微电子工业发展十分迅猛，而其中三分之一的微电子器件与设 备都采用的低温等离子体技术；塑料包装材料 90%都需要经过低温等离子体的表面处 理与改性。据估计，低温等离子体技术在半导体工业、聚合物薄膜、材料防腐蚀、等 离子体电子学、等离子体合成、等离子体冶金、等离子体煤化工、等离子体“三废” 处理等领域的潜在市场每年将达 1000 多亿美元。据预测，二十一世纪低温等离子体 科学与技术将得到长足的发展和巨大的突破。 概括来说，低温等离子体对工业中现有主要耗能加工过程的效率和效能的提高起 着十分重要的作用。在工业应用上，等离子体具有两个主要特征：同化学的或其它的 方法相比，等离子体具有更高的温度和能量密度；等离子体能够产生活性成分（如紫 外和可见光子、电子、离子、自由基；高反应性的中性成分，如活性原子，受激原子 态，活性分子碎片等），从而引发在常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和化 学反应。 具体而言，根据低温等离子体中所依赖的不同性质，可以把各种应用分为以下几 类： 1.等离子体表面处理与等离子体相下的化工生产：它们主要是利用冷等离子体中 电子、离子与自由基之间的能量或者活性，诱发各种化学反应和物理过程。等离子体 表面处理包括刻蚀、等离子体聚合的淀积、表面改性和等离子体