绪论等离子体基本概念及应用ppt课件.ppt
等离子体基础概念及其应用,王淑峰,绪论部分,主要内容,等离子体基本概念等离子体概念等离子体产生方式及分类 等离子体主要应用领域低温等离子体应用冷等离子体应用 热等离子体应用军事与高技术应用聚变等离子体磁约束聚变惯性约束聚变空间与天体等离子体,主要内容,等离子体基本概念等离子体概念等离子体产生方式及分类等离子体主要应用领域低温等离子体应用冷等离子体应用 热等离子体应用军事与高技术应用,什么是等离子体？,由大量的带电粒子组成的非束缚态的宏观体系非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体。粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合，不可分割。集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长程的。,等离子体是物质第四态,00C,1000C,100000C,电离气体是一种常见的等离子体,放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式等离子体 电离气体,普通气体,等离子体,需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体性质。“电性”比“中性”更重要 ( 电离度 10-4 ),地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发生器典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、表面冶金、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹,人类的生存伴随着水，水存在的环境是地球文明得以进化、发展的的热力学环境，这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态。因而，天然等离子体就只能存在于远离人群的地方，以闪电、极光的形式为人们所敬畏、所赞叹。由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。,宇宙中90物质处于等离子体态,等离子体参数空间,在等离子体气体中，以电子碰撞双原子分子XY为例，若碰撞能量小，则会发生弹性碰撞，电子的动能不会改变。若碰撞能量很高，分子中绕核运动的低能电子，就会在碰撞中获得足够的能量，被激发至离核较远的高能级轨道上运动。我们把这种高能级状态的分子称为激发态分子，用XY*表示。激发态分子中的电子从高能级跳回到低能级时，便以发光的形式发出多余能量(辉光放电)，这个过程称为“退激”。,等离子体的产生,若碰撞电子能量足够高，电子吸收的能量就可以使其脱离核的束缚而成为自由电子，也就是分子发生了“电离”，用XY+表示 。电子对分子XY的碰撞也可以使之分解成为X原子和Y原子（离解/裂解）。用“：”表示分子中成键的电子对，离解过程可以表示为X:YX + Y。这样带有未成对电子的X，Y就容易发生化学反应，故称为化学活性或基团。,等离子体特性,在等离子体中引入电场，经过一定的时间.,德拜( Debye )屏蔽,在等离子体中引入电场，经过一定的时间，等离子体中的电子、离子将移动，屏蔽电场德拜屏蔽,德拜( Debye )屏蔽,屏蔽层厚度：德拜长度 lD,特征响应时间：tp lD/vT1/wp,在等离子体内部，正、负电荷数几乎相等准中性 ne ni,准中性,对弱电离情况：带电粒子与中性粒子相互碰撞频率远小于带电粒子之间的相互库仑碰撞作用频率和振荡频率,等离子体判据,等离子体存在时间尺度：必须大于响应时间，即,等离子体存在空间尺度：必须大于德拜长度，即,等离子体参数：必须远大于1，即德拜球内存在足够多的粒子。 =nD31； 是等离子体粒子间平均动能和平均相互作用势能之比的一个度量。,=,V 击穿电压 汤生放电 电晕放电 辉光放电 弧光放电 电流I,直流放电：汤生放电电晕放电辉光放电弧光放电,气体放电的典型伏安特性曲线,等离子体的产生方式,人工等离子体（Plasma）的主要产生方式： 燃烧P、电弧P、高频P、激光P、聚变P等工业中常用的气体放电法分为： 直流放电：高压击穿，高空载电压下直流放电 低频放电：1100kHz 高（射频）放电：10100MHz，常用13.56MHz 微波放电：1GHz，常用2.45GHz,等离子体的分类,按产生原因：自然等离子体和实验室等离子体按气体电离程度：完全电离、部分电离、弱电离按等离子体的温度：高温等离子体（106-8K) 低温等离子体(室温-3105K)（冷等离子体和热等离子体）按粒子密度：致密等离子体（密度n1015-1018cm-3),此时粒子碰撞其主要作用；稀薄等离子体（密度n1012-14cm-3 )，此时粒子碰撞几乎不起作用，如辉光放电。人工等离子体按产生等离子体的方式划分：燃烧等离子体、电弧等离子体、高频等离子体、激波等离子体、激光等离子体、聚变等离子体等,主要内容,等离子体基本概念等离子体概念等离子体产生方式及分类 等离子体主要应用领域低温等离子体应用冷等离子体应用 热等离子体应用军事与高技术应用,冷等离子体应用,等离子体的化学过程刻蚀化学气相沉积（成膜）等离子体材料处理表面改性灭菌消毒等离子清洗光源冷光源（节能，线光谱）气体激光器等离子体显示器,低温等离子体应用,电子能量（eV） 远大于分子键能 （0.1eV）,非热平衡等离子体，背景温度低，电子温度高，存在大量的活性粒子,纳米尺度上针尖状表面,特征表面制造,可以制备纳米尺度的针状表面、波纹表面，树枝状表面、正弦表面等表面结构，其中波纹表面，是应用薄膜生长过程的自组织过程中直接形成的。,纳米尺度上波纹状表面,树枝状表面,低温等离子体应用,毫米级厚金刚石片制备研究,应用PCVD方法可以稳定地制备高质量毫米量级厚度的金刚石片，并用金刚石膜加工成金刚石电子热沉片，热导率高达7.6W/(kcm)，可用于大功率电子器件。,纯金刚石片（直径30mm）,半透纯金刚石热沉片10 x10 mm2,带Si衬底的金刚石厚膜,金刚石质量表征,低温等离子体应用,机械级CVD金刚石膜,热学级CVD金刚石膜,光学级CVD金刚石膜,等离子显示屏结构,PDP（Plasma Display Panel，等离子显示器）,热等离子体应用,高温加热冶金、焊接、切割材料合成、加工陶瓷烧结、喷涂、三废处理等离子束表面冶金光源强光源（近黑体连续辐射）,低温等离子体应用,热平衡等离子体，电子、离子、原子同样的温度，热量大通常是高气压（1个大气压左右或更高的气压）电弧、等离子体炬,直流压缩电弧等离子体,(a).非转移弧用于等离子喷涂、等离子CVD、等离子清洗、等离子点火等。,(b).联合弧用于等离子束表面淬火、等离子多元共渗等。可不灭弧调温。,(c).转移弧用于等离子冶金、等离子束表面冶金、等离子切割、等离子焊接等。,等离子喷涂,喷涂辊套（氧化铝）用于炼油厂，耐高温磨损,在氧化铝薄板上喷涂氧化锆，用于半导体陶瓷器件的高温烧结支撑板,等离子喷涂枪与送粉器,等离子表面冶金示意图,基 材,涂层,等离子束流,冷却水,离子气,保护气,粉末,阴极,直流电源,同步注入粉末等离子束示意图,等离子束表面冶金强化“无火花”本安型截齿,对大型旧中部槽进行等离子表面冶金强化,等离子体军事及高技术应用,军事应用等离子体天线、等离子体隐身、等离子体减阻、等离子体鞘套、等离子体诱饵高技术大功率微波器件、X射线激光、强流束技术、等离子体推进,低温等离子体应用,等离子体离子推进器,VASIMR(可变比冲磁） 等离子体推进技术,Hall thrusters 霍尔等离子体推进,小结,掌握等离子体的概念和普遍性掌握等离子体的基本性质以及不同的分类方式了解冷等离子体和热等离子体的区别和应用掌握电弧等离子体发生器的种类和应用领域了解等离子体在军事上和天体物理学方面的应用，查阅等离子体推进器的主要原理,
