材料激发化学与电化学.ppt

第四章 材料激发化学与电化学,4.1等离子体化学 材料激发化学包括等离子体化学和光化学两个部分。,等离子体是物质存在的第四种状态。等离子体化学主要探索和揭示物质处于“第四态”等离子体状态下的性质、特点和化学反应规律，以及如何有效地运用化学反应规律为化学合成、制膜技术、表面处理、精细化工加工提供新的技术手段。,一、基本概念1等离子体的概念 物质随其内部能量的增加而变化成固体、流体和气体，进一步增大能量（如加热，放电）可以使气体分子离解和电离，当电离产生的带电粒子密度大到一定数值时，物质状态出现新变化，这时的电离气体不再是原来的气体了。,电离气体与普通气体的区别：,1）组成上电离气体与普通气体明显不同 电离气体是带电粒子和中性粒子组成的集合体；普通气体是由电中性的分子或原子组成。,2）性质上：电离气体是一种导电流体，能在与气体体积相比拟的宏观尺度内维持电中性。电离气体中的带电粒子间存在库仑力，而普通气体分子间并不存在净电磁力。电离气体作为一个带电粒子学，其运动行为受到磁场的影响和支配。,等离子体的含义：气体分子电离产生的带电粒子密度达到一定数值时，这种电离气体是有别于普通气体的一种新的物质聚集态，列为物质的第四态。无论气体是部分电离还是完全电离，其中的正负电荷总数在数值上总是相等的，故称为等离子体。等离子体就是指电离气体，它是由电子、离子、原子、分子或自由基等粒子组成的集合体。,注意：并非任何电离气体都能算作等离子体。因此，准确地说，只有当带电粒子密度达到其建立的空间电荷足以限制其自身运动时，带电粒子才会对体系性质产生显著的影响，这样密度的电离气体才转变成等离子体。,等离子体的存在还有其特征的空间和时间限度。当某电离气体存在的时间和空间尺度低于特征限度时，它也不能算是等离子体。,狭义等离子体把电离气体视为等离子体是一种狭义的定义。广义等离子体广义等离子体包括正电荷总数和负电荷总数相等的其它许多带电粒子体系。本节主要介绍电离气体这种等离子体。,等离子体的存在在地球表面环境中，通常不具备等离子体产生的条件。例如在地球表面空气里，由于宇宙射线的作用每秒在1cm3内大约只产生对离子。只有在特定条件下，才能看到自然界的等离子体现象。如闪电、极光。,极光：太阳不断进行聚变核反应，释放出大量的带电粒子。这些带电粒子以每秒400700km速度飞进地球大气层时跟气体分子或原子碰撞，使气体激发和电离，从太阳上飞来的带电粒子不能直线运动，只能绕着磁力线打转，沿着弯曲的磁力线螺旋式的运动到地球南北两极附近的高空。,闪电：云的不同部位聚集了两种极性不同的电荷，在云的内部和云与地面之间形成了很强的电场，使云内外的大气发生击穿电离，形成一条狭窄的放电通道，并发出耀眼的亮光。,宇宙中的等离子体：与地球情况不同，在茫茫宇宙中，99以上的物质都呈等离子态，太阳就是一个灼热的等离子体火球，恒星、星际空间和地球上空的电离层也都是等离子体。就整个宇宙而言，等离子体是物质存在的普遍形式。,人工发生的等离子体：霓虹灯管中的辉光放电、电弧和荧光灯管中也都存在等离子体，实验室中通过气体放电获得等离子体。,二、等离子体空间的化学现象下面介绍为什么等离子体引起化学界的兴趣？,1化学角度的等离子体 一切化学变化都取决于能量的高低。按宇宙的平均能量来衡量，地球是一个“冷星球”。地球上的物质多呈密集的凝聚态，地表又覆盖着高密度的空气，这便使一般的化学反应往往要受“低能量”、“高密度”条件的制约，以致于向反应体系传递并保存高能量是相当困难。，一些需要特大活化能的反应在技术上便很难实现，因此化学家们总是试图寻找激活反应体系的方式。,实际上，化学与物理学之间是有紧密联系的。物理状态的变化以及寻致这种变化的物理因素都有可能引起化学变化或影响化学变化的进行。从本质上看，分子中电子的运动、分子中原子间的相互作用力、原子和分子的受激与电离等微观物理运动形态，直接决定着物质的性质及化学反应能力。,鉴于此，当物质由气态转变成等离子态时，其化学行为必然发生变化，从化学角度看，等离子体空间富集的离子、电子、激发态的原子、分子及自由基，恰恰是极活泼的反应性物种。,等离子体中活性物种的产生 以辉光放电发生的氢等离子体为例 其离解和电离过程如下：,第一式表示等离子体发光和自由基解离，激活能量为数个ev；第二式表示电离，这是维持放电的必要过程，需要十几个ev的能量。,表示放电过程中从电场中获得能量的高速电子。显然，氢等离子体中富集了高活性的原子氢。而且由于这种放电通常是在低压条件下进行的，故原子氢往往是长寿命的。,同样的，对于氧气、水和有机物之类，也都能通过形成各自的等离子体，产生相应的高活性物种。如,上式中的活性物种在通常的化学反应中不易得到，但在等离子态中却可持续地安全的产生，而且由于是靠电子动能激发的，与热能，光能等激发方式有所不同，因此在等离子体空间便显示出许多特异的化学现象。,等离子体空间中特异的化学现象在无催化剂条件下，由一些简单物质即可得到比较复杂的生成物。如,这个实验可以说明地球上的原始大气是怎样合成有机物和氨基酸的。,常态下不活泼的物质，在等离子体态下可容易地参与各种化学反应。N2便是一例，常态下不活泼，作保持性气体使用。氮等离子体的化学行为就大不相同了，很容易参加各种化学反应。利用氮等离子体，人们获得了许多氮化物新材料。如仿金镀层TiN，耐高温精细陶瓷Si3N4等。,氧化还原性质发生变化 常态下H2一般是还原性的。但等离子体中的原子氢很少对有机物起还原作用。倒是常常夺取反应物中的氢原子生成氢气或使电子自由基化。如：,高分子材料表面亲水处理和低温灰化 等离子体中的原子氧使有机物分解为CO2，H2O，原子氧的这种反应被有效地用于高分子材料的表面亲水性处理或在分析化学中作低温灰化。,机理是原子氧(O)夺取烷基中的氢并使链烃羰基化，随着氧化的不断进行，最终能使有机物分解为CO2和H2O。,注意：上述反应都可利用非平衡等离子体在接近室温的条件下实现。这就使许多通常不能发生或在极其苛刻的条件下才能发生的化学反应变得很容易进行。,如：利用静高压工艺人工合成金刚石时，条件为16001800k，6万atm。采用微波等离子体化学气相沉积工艺，以甲烷和氢气为原料，则在低于0.atm，450条件下便成功地合成了金刚石。,综上所述：等离子体空间这些异乎寻常的化学现象表明，既然等离子体作为物质存在的又一种基本形态，那么以化学的角度来看，各种反应便是在新的“介质”中或者说是一种新“相”里进行的，这就必然有其新特点、新规律和新用途。,2等离子体化学的形成气体放电现象研究历史 早在700多年前，人们就已经注意到气体放电中会发生某些特殊的化学反应。如：1758年，探测到空气的火花放电能生成臭氧；1785年，用气体放电制备了氧化氮（）；1859年，用氮氢混合气体通过碳电极之间电弧方法放电成功地获得了氮化氢（）；1863年，利用在碳电极之间作氢气放电直接合成乙炔等。,等离子体的应用 在相当长的一段历史时期内，等离子体主要还是作为发光现象、导电流体或高能量密度的热源来加以研究和应用的。如：照明光源：霓虹灯，荧光灯，水银灯等；热能：金属加工中熔融，等离子体焊接，等离子体切割等；机械能：磁流体（）放电等；,20世纪70年代以来，在对等离子体中各种粒子化学性质的控制和利用的基础上，探索物质在等离子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、表面处理和精细化学加工等领域，在原有工艺技术基础上，巧妙而有效地引入等离子体，促成了一系列工艺革新和巨大的技术进步。,如：以表面反应为主的等离子体化学气相沉积，在大规模或超大规模集成电路工艺干法化、低温化方面，开发应用了等离子体聚合、等离子体蚀剂、等离子体灰化、等离子体阳极氧化等全干法等离子体工艺技术。如：塑料，纤维，金属等材料表面处理。分析化学中广泛采用的等离子体光谱，有机物样品的低温灰化。,三、等离子体的粒子密度和温度等离子体的状态主要取决于它的组成粒子、粒子密度和粒子温度。因此，粒子密度和温度是它的两个基本参量。其它的一些参量大多与密度和温度有关。,1粒子密度和电离度 组成等离子体的基本成分是电子、离子和中性粒子。通常，令ne电子密度，ni离子密度，ng未电离的中性粒子密度。等离子体中离子通常都是以正离子形式存在，因在等离子体中存在着各种粒子，也存在各种离子，离子密度用ni1,ni2,ni3等等表示。,当neni1+ni2+nin时，称为等离子体密度，量纲：粒子数cm3 电离度电离度很小的等离子体称为弱电离等离子体，较大时(0.1)称为强电离等离子体=1时，则叫做完全电离等离子体 热力学平衡条件下，电离度仅与粒子种类，粒子密度及温度有关。,2电子温度和离子温度 如果系统处于热平衡状态，则气体粒子的运动速率服从麦克斯韦分布率。此时根据气体分子运动理论，在等离子体中运动的每个粒子的平均动能与气体温度之间有如下关系：粒子的质量 速度平方的平均值 温度 玻尔兹曼常数,普通气体中的组成粒子不论其种类如何都具有相同的平均动能，而等离子体中因同种粒子间的碰撞频率远大于异类粒子间的碰撞频率，况且同类粒子的质量相同，碰撞时的能量交换最有效，因而将会是每一种粒子各自先行达到自身的热平衡态。,而且最先到达热平衡态的应是最轻的带电粒子即电子，这样一来，等离子体中电子、离子及中性粒子各自具有不同的平均的动能，上式中温度对应粒子的平均动能。因此等离子体的温度被定义为电子温度Te、离子温度Ti和中性粒子温度Tg。等离子体的宏观温度应当取决于重粒子的温度。,根据等离子体的粒子温度，可以把等离子体分为两大类：热平衡等离子体和非热平衡等离子体。热平衡等离子体：TeTi时称为热平衡等离子体，简称为热等离子体。特点：电子温度高，重粒子温度也高。,实际上，所谓完全热平衡状态是不能达到的。实际上比较容易形成的是各种粒子的温度几乎近似相等（Te Ti Tg），组成也接近平衡组成的等离子体，这叫做局域热力学平衡态（LTE态等离子体），实际使用的LTE态等离子体在温度约为51032104k，且压力104Pa条件下产生的。,非平衡等离子体：TeTi 特点：电子温度高达104k以上，离子和原子之类重粒子温度都可低到300-500k、一般压力102Pa下形成。按其重粒子温度也叫做低温等离子体（cold plasima）。注意：等离子体中，高温未必意味着非常热。,对低温等离子体而言，在辉光放电的霓虹灯，日光灯里面，Te20000k，但因Ti只有数百开，整体的宏观温度很低。又因，灯管中气体的数量远远地少于标准大气压时的数量，电离度也仅有万分之一左右，尽管电子动能很大，但数量非常少即热容量很小，撞击管壁时传给管壁的热量也非常小。,据此，可看出低温等离子体化学与工艺对实际是十分有意义的。因为一方面电子具有足够高的能量以使反应物分子激发、离解和电离，另一方面反应体系又得以保持低温乃至接近室温，这样一来，不仅设备投资少，节能，而且所进行的反应具备非平衡态的特色。,四、等离子体的准电中性维持宏观电中性是等离子体的基本特征。下面将通过对等离子体屏蔽特性和振荡特性的讨论引出电中性条件成立的空间尺度和时间尺度，进而说明等离子体判据。,1概述等离子体宏观上呈电中性，但事实上，在等离子体内时时处处都有可能出现电荷分离。即偏离电中性的现象，这种偏离是有时空限度的。一旦出现偏离，存在于电荷间的库仑相互作用又将使电中性尽快得到恢复。,如在等离子体中，考虑一个半径为cm的球体，其中等离子体密度ne=ni=104/cm3，若由于某种扰动使得百分之一的电子移到小球外边的区域中，那么小球内会出现正电荷过剩，该净电荷将会产生一个强电场，计算发现，球心与离球心cm处之间的电位差高达64万伏特，由此可见，等离子体对电中性的破坏是非常敏感的，它具有强列维持电中性的特性。,可以说“偏离”与“恢复”这一对矛盾总是存在于等离子体的整体运动之中，但同时又成立，故称之“准电中性”，而等离子体在宏观上呈电中性只有在特定的空间尺度和时间尺度上才是成立的。,2德拜屏蔽与德拜长度静电屏蔽（德拜屏蔽）若由于某种扰动在等离子体内某处出现了电量为的正电荷积累，则由于该电荷的静电势场作用，其周围一定会吸引电子而排斥离子，结果出现一个带净负电荷的球状“电子云”，从远离该正电荷的“云外”来看，电子云的包围削弱了积累起来的有效电荷，也即削弱了它对远处带电粒子的库仑力，这种现象在物理学中称之为静电屏蔽，也叫德拜屏蔽。经过屏蔽后该正电荷的静电势场叫做屏蔽库仑势。,德拜长度将坐标原点取在积累的正电荷中心，对于热力学平衡态下的带电粒子系，可以求解泊松方程得出屏蔽库仑势。进而引出德拜长度。,设待求的电势分布为(r)，则对空间任意一点(r)的满足泊松方程,等离子体中积累电荷的电位分布(r)将随着的增加而迅速下降，下降趋势要比在真空中快得多。(r)屏蔽库仑势的有效作用力程大致上可以用来D表示，当rD时（德拜球内），库仑作用被电子云削弱了，但仍存在。rD时（德拜球外），静电势便减弱得可以忽略了。由此可见，德拜长度是描述等离子体空间特性的一个重要参量。,德拜长度的物理意义以下从三个方面介绍其物理意义，提法不同，实际上是完全一致的。等离子体对作用于它的电势具有屏蔽能力，D即为静电相互作用的屏蔽距离或叫屏蔽半径。,德拜长度是等离子体中电中性条件成立的最小空间尺度。在距离某个电荷中心的距离rD的范围内，存在着该电荷产生的静电势场，因此就这个范围来看，等离子体不是电中性的。从rD的空间尺度上来看，等离子体才是电中性的。也可以说，德拜长度是等离子体中因热运动或其他扰动导致电荷分离的最大允许尺寸限度。,德拜长度还可以作为等离子体宏观空间尺度的下限。德拜屏蔽要想得以实现，等离子体的空间尺度就必须远大于德拜半径。这就是说，一个电离气体若称得上是物质第四态的等离子体，其存在的空间条件应为LD，否则，它就不成其为等离子体，而仍然属于气体。,3朗谬尔振荡与振荡频率通过考察等离子体的振荡特性，以便引出等离子体存在的时间特征尺度。,朗谬尔振荡：等离子体中最普通、最快的集体运动是由电子运动引起的。为简单起见，假设只考虑一维方向的运动。设由于偶然的热运动涨落，某一区域内的电子忽然间都以相同的速度沿方向移动，产生位移，假定在电子群移动之前，此区域内的正负电荷正好完全抵消，则电子集体定向移动必然引起空间电场，该电场的方向是要把电子拉回平衡位置，以恢复电子性。,然而，由于运动的惯性，电子不可能停留在平稳位置，而是会冲过平衡位置，这样一来，又引起了相反方向的电荷分离，产生反向电场E，当电子达到另一边最大位移后，会再次被拉回，并又因惯性而冲过平衡位置，如此往复，电子于是在平衡位置附近来回作集体振荡，就如同弹簧振子的简谐振荡似的。而离子则由于其质量远大于电子，对于电场的交替变化来不及响应，以致可以认为是近似不动的。,这种电中性被破坏时产生的空间电荷振荡现象首先被朗谬尔所发现，故叫朗谬尔振荡，通常称为等离子体振荡，它是等离子体的固有特征之一，总是要在等离子体各处互不相关地发生着，其振荡频率叫等离子体振荡频率或朗谬尔频率。,振荡频率：弹簧振子的简谐振荡频率，质量等离子体振荡现象运动规律的数学描述与上述一致，则等离子体中电子的振荡频率套用上式有，me电子质量,振荡周期P的物理意义：从不同角度说明等离子体的时间特征等离子体对于因热运动等引起的涨落有阻止能力，P可看成是涨落引起的电子定向运动被阻止，并转入等离子体振荡这种固定运动模式所需的最短时间。,振荡周期P可作等离子体电中性条件成立的最小时间尺度，当任一个时间间隔时 P，可能产生的空间电荷和空间电场在这段大于振荡周期的时间间隔内，平均效应才都会归于零，这时方可以时间尺度上把等离子体看成是宏观电中性的。,振荡周期可看作是等离子体存在的时间尺度下限。作为等离子体，其存在时间必须足够长，以便使大量带电粒子间有充分的相互作用时间，来消除偶然发生的涨落所造成的影响。即当其存在的持续时间时它才能成为具备自己特有性质和行为的等离子体；,反之，当一个带电粒子系的存在时间 P，则该体系的性质将会依赖于所含粒子涨落造成的偶然状态，那么便会是变化多端的，当然也就不可能具有等离子体应有的典型性质和运动规律。等离子体必须满足这一时间特征尺度，可简单设为。,4等离子体参量：这表明，无论是空间特征还是时间特征，都与粒子密度或温度有着不可分割的内在联系，因此，还可以引入一个藉粒子密度和温度来描述等离子体的新物理量等离子体含量。,设德拜球内的粒子数为ND，则有由 得 粒子数，式中为热平衡温度，单位 令3ND，为等离子体参量，显然它只与等离子体的两个基本的特征参量、有关，要等离子体为准电中性，必须。,5等离子体判据：至此，可以把等离子体判据归纳为以下三条：满足这些条件的电离气体方可称为等离子体，否则虽体系中也有一些气体分子电离，但那只不过是彼此互不相关的各个部分的简单堆积，而不具备作为物质第四态的典型性质和特征，因而仍然属于气体。,五、等离子体鞘1等离子体鞘：,当等离子体与容器壁接触时，表现出与普通气体截然不同的性质。等离子体不是直接接触器壁的，而是在与器壁表面的交界处，形成一个电中性被破坏了的薄层，实验表明，在这种情况下形成的薄层是一个负电位的区域，它把等离子体包围起来，如在放电管中发生辉光放电时，即可看到等离子体辉光被靠近器壁的一层“暗区”包围的现象，这个偏离电中性薄层就叫做等离子体鞘或称之为鞘层。,形成鞘层位置：器壁处 在插入等离子体的电极近旁 放置于等离子体中的任何绝缘体表面。等离子体化学中的许多现象和工艺技术都与电极或基片表面附近鞘层的形成、鞘层的特性以及鞘层中产生的物理化学过程密切相关，因此，有关等离子体鞘的知识是应当具备的。,2鞘层的形成鞘层是等离子体受某种扰动时，由德拜屏蔽产生的空间电荷层，以下分两种情况来讨论。,电极近旁的鞘层：理想等离子体是等电位的，内中不存在电场。设等离子体空间电位为Vp，简称等离子体电位.,若在等离子体中插入导体电极，并设该电极的电极电位为Vs，如果我们改变Vs的值，使VpVs，并接通外电路，那么电极上变会有电流通过，实际上相当于引入一个外电势作用于等离子体。等离子体则必然对外电势的扰动作出相应的反应，其结果是电极近旁的等离子体就不会再保持原来的状态了。,Vp Vs时，电极近旁形成的电场将吸引离子并阻尼电子，最终nine。随电场的增强，将会在距电极一定距离范围内形成离子构成的空间电荷层称为离子鞘。,VpVs时，电极近旁形成的电场将吸引电子并排斥离子，最终nine。相应的在距电极一定距离的区域内形成由电子构成的空间电荷层称为电子鞘。,浮置基板处的鞘层,将放置于等离子体中的绝缘体称为浮置基板。浮置基板插入等离子体后，因等离子体空间准电中性成立，离子、电子热运动动能相等，因二者质量不同，则速度不同，电子的平均速度远大于离子的平均速度，因此，初始时刻后，到达绝缘体表面的电子数就会比离子多得多，将有电子过剩，从而使绝缘体表面出现净负电荷积累，即表面相对于等离子体区呈负电势，这个负电势将排斥向表面运动的后续电子，同时吸引正离子，直到绝缘体表面的负电势达到某个确定值使离子流与电子流相等时为止。,这时浮置基板表面电位V趋于稳定，与等离子体电位之间的差值VpVf保持定值，将浮置基板上达到的稳定电势Vf叫做浮置电位。Vf是一个负电位，在浮置基板与等离子体交界处形成的是一个由正离子构成的空间电荷层，也就是离子鞘。,凡与等离子体交界的任何绝缘性物体（如管壁）都会保持一定的浮置电位，其近旁也都会形成离子鞘，而浮置电位相对于等离子体总是负的，等离子体电位相对于任何与之接触的绝缘体总是正的。,总之，鞘层内已不再是等离子体状态了，其已偏离电中性。大凡我们在实验室或生产中遇到的各种等离子体都有管壁之类的界限，浮置电位及由此而形成的离子鞘是一个无法回避的普遍性问题。,进入鞘层的离子将会受到鞘层电场的加速，直接影响离子能量，如等离子体刻蚀等工艺中被鞘层电场加速的离子轰击待处理的工件表面，会引起种种物理变化或化学变化，对工艺过程产生重要影响。,3离子鞘理论 Bohm判据低气压下离子鞘的简单模型如图。,设等离子体电位为，插入的平板导电电极表面具有负电位Vs，则导电电极附近将形成三个不同的区域：等离子体区、准中性等离子体区和离子鞘区。,在距电极较远的地方，由于未受外电场扰动，仍然保持等离子体状态，ne=ni；但从点开始，导体电极电位Vs逐渐影响粒子分布，形成负电场，但电子密度减少很小，另外，因离子被Vs加速也有一定程度地减少，因此，仍然保持ne=ni的状态，此区域即准中性等离子体区。,在电极附近从点开始，由于电位梯度急剧增大，形成很强的负电场，受此电场的作用，大部分分子、电子被排斥，变成neni，形成离子鞘区。,就电位而言，稳定的离子鞘是从比等离子体电位Vp稍稍负一点的地方V开始产生的，鞘层随负电位的增大而展宽。,鞘界面处的电位，即V由电子温度Te决定，其值为V0=KTe/2e，即稳定离子鞘是在电位相当于电子温度一半的界面处开始形成。（电子温度单位为eV）,Bohm判据：V的取值称为离子鞘的生成条件，即形成离子鞘的Bohm判据。在低压等离子体中，该判据与实验结果非常吻合。若导体电极的负电位增加，离子鞘的厚度也随之逐渐增大，使相当于V值的一部分往往“泄漏”到鞘外，由此产生的电场叫渗透电场,离子电流热扩散电流上图中点右方的等离子区，离子是作随机热运动的，流往等离子体界面的是热扩散电流Ii(0)。从点向左，将出现离子密度梯度，因此这里的热扩散电流Ii(0)比通常的平均热运动电流要大一些，但因其数值与离子浓度，流入处的密度梯度以及扩散系数等多种因素有关，因而无法简单计算,进入准中性区后由于受间渗透电场的加速，离子电流急剧增大，并通过点进入鞘内，此过程的电流称为渗透电场加速电流I0。,式中鞘层界面面积 mi离子质量 ni离子密度,进入鞘层内荷电粒子几乎全部是离子，电流为空间电荷限制电流 Ii(v)式中 Vs为导体电极电位 0真空介电常数 取决于电极形状和鞘层参数的函数，对平板电极，a=d鞘厚 对球形电极或圆筒状电极 是r3/rp的函数，r3是鞘半径 rp是电极半径,浮置电位Vf置于等离子体中的绝缘体表面，会自动呈一定数值的负电位即浮置电位。经计算得 式中 上式说明：对于给定物系，浮置电位Vf的大小仅取决于电子的温度Te而与其它参数无关。当电子温度以电子伏特为单位时，浮置电位可直接取电子温度数值的lnk倍。,六、等离子体中带电粒子在电磁场中的运动规律由于等离子体中存在着大量的带电粒子，外加电磁场必然会影响其运动规律。实际上在等离子体化学领域的许多工艺装置中如磁控溅射、等离子体化学气相输运等装置中，已越来越多地设置外加磁场或同时附加电场来巧妙地对离子、电子的行为及分布状态实施控制，以便有效地实现工艺目的。,这里主要介绍恒定磁场中的拉摩运动和恒定正负电磁场中的电漂移运动。1恒定磁场中的拉摩运动洛伦兹力与拉摩运动设有恒定磁场，带电粒子所带电量为，质量为，运动速度，当带电粒子在磁场 中以速度 运动时，所受到的洛伦兹力 为：,于是，带电粒子的运动方程为：为便于讨论，取一直角坐标系，令轴沿磁场方向，即 与 同向，并将粒子速度分解为水平分量和垂直分量，=v+v v表示平行于磁场方向的粒子速度分量为轴方向v表示垂直于磁场方向的（、面内）的速度分量,由（3）式可知，v常数，即粒子沿磁场方向的速度分量是一个常数。由（4）式知，洛伦兹力只能在垂直于磁场 的平面内改变带电粒子的运动的方向，而不能改变其速度的大小，即提供了带电粒子作圆周运动的向心力。所以带电粒子恒定磁场中的运动由两部分运动合成的。,沿磁场方向 的匀速直线运动和环绕磁场方向的匀速圆周运动，这种复合运动称为回旋运动或拉摩运动。拉摩运动：带电粒子在恒定磁场中沿磁场方向的匀速直线运动和环绕磁场方向的匀速圆周运动的合成，将粒子回旋中心的轨道叫做引导中心。,运动规律由于电子和正离子所带电荷符号相反，受洛伦兹力的方向就相反，因此其拉摩运动方向亦相反，对于带正电的离子来说，受力方向符合右手螺旋法则，即迎着磁场方向看时，离子的回旋方向是顺时针的，电子的回旋方向是逆时针的。,如下图所示：,运动中拉摩半径拉摩频率,由上面两式可知B rcc，即B带电粒子以更小的轨道回旋得更快这表明磁场对带电粒子有约束作用，磁场愈强，约束得愈紧如果不存在磁场，则回旋半径rc=，也就谈不上约束了。,若电子和离子的rc c分别为rce ce rci ci，对热平衡等离子体有 表明 即电子回旋频率比离子快得多，而回旋半径则比离子半径小得多。从上述分析知，实际应用的等离子体装置中，可利用强度的不同和位形不同来达到定向约束的目的。,2恒定电磁场中的电漂移运动若在上述恒定磁场内还存在一个恒定的小电场，电场方向垂直于磁场方向。则带电粒子在正交电磁场中的运动方程为：若=0 则 q=0即上述拉摩运动；若 拉摩运动电场作用下的运动（漂移运动）。对于正离子，考虑垂直于磁场的运动分量，则运动方程改写为,由于电场力的存在，当离子回旋经过底部转而向上时，所受的电场力为加速力，以致于速度增加的同时，回旋半径也不断增大，到达顶部时回旋半径最大，通过顶部后再向下运动时，电场力为减速力，速度减小的同时，回旋半径亦减小，到达底部时，回旋半径最小。,正由于回旋半径的这种变化，使离子回旋一周后不能回到原来的位置，就又开始进行下一周的回旋，如此进行下去，其结果是每次回旋一周便向左漂移一段相等的距离，相当于作拉摩运动的引导中心（粒子回旋中心轨道），沿 的方向作匀速漂移。对于电子而言，由于所受电场力方向相反，因而在离子受加速力的半周内，电子受的是减速力，但漂移运动的方向却是一致的。,综上所述，带电粒子在正交恒定电磁场中的运动由环绕磁场的拉摩运动和沿 方向的漂移运动所构成。漂移运动公式：由此公式可知：漂移速度方向为 方向，速度大小为，与电荷符号质量等无关，即电子和离子以相同速度朝同一方向漂移。,七、等离子体辐射辐射就是电磁波，等离子辐射指等离子体发射电磁波的过程。1等离子体中的辐射及应用意义自然界和实验室的等离子体大多是发光，如闪电、极光、霓虹灯、电弧等，除发射可见光外，还有紫外线和射线等。,一是等离子体中粒子运动状态（尤其是电子）的变化。二是等离子体的集体运动等离子体波。等离子体辐射分为：自生辐射：由于粒子自身运动状态变化而产生的辐射。如电子，除束缚态中子外，还存在着功能可以连续变化的自由电子，当其跟别的粒子发生碰撞或受外磁场影响时便会改变运动状态，同时伴随能量状态的变化而发生辐射跃迁。,感生辐射：在非平衡等离子体中，等离子波通过与非平衡态粒子共振获得的能量所产生的辐射。其中自生辐射是等离子体中普遍存在的辐射现象，且一般辐射强度比较大，因此，通常对自生辐射更感兴趣。,研究等离子体辐射的意义：等离子体辐射会释放能量：从等离子体物理角度，对能量损耗输运具有重要意义，从等离子体化学角度，辐射释放的能量可用来激活反应体系，引发反应等。等离子体辐射可给出很多等离子体自身的信息（如粒子密度，温度，电磁状态等）及有关化学反应过程的定量信息。,2几种主要的辐射过程激发辐射在受激原子中，处于高激发态的电子跃迁到低激发态或基态时，所发出的辐射称为激发辐射。由于在辐射跃迁前后电子均处于束缚态，故又称为束缚辐射，辐射频率主要存在于低温等离子体中。,复合辐射当一个自由电子被离子俘获复合成低价态的离子或中性粒子时，发射电磁波的过程称为复合辐射。辐射频率 e复合之前自由电子的动能 Ei电离能 Em复合后该电子所处的能级在低温等离子体中，随着电离度的增加，复合辐射的可能性提高。,轫致辐射在离子体中带电粒子因受其它粒子静电势场的作用而发生速度变化时，伴随动能变化发出的电磁辐射称为轫致辐射。分别为辐射前后的自由电子的动能，且。在高温等离子体中，轫致辐射是主要形式,回旋辐射等离子体在外磁场中由于洛伦兹力的作用作回旋运动时产生的辐射。,