等离子体及其技术应用.doc

上传人:b****2 文档编号:1428401 上传时间:2022-10-22 格式:DOC 页数:10 大小:116.62KB
下载 相关 举报
等离子体及其技术应用.doc_第1页
第1页 / 共10页
等离子体及其技术应用.doc_第2页
第2页 / 共10页
等离子体及其技术应用.doc_第3页
第3页 / 共10页
等离子体及其技术应用.doc_第4页
第4页 / 共10页
等离子体及其技术应用.doc_第5页
第5页 / 共10页
点击查看更多>>
下载资源
资源描述

等离子体及其技术应用.doc

《等离子体及其技术应用.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《等离子体及其技术应用.doc(10页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。

等离子体及其技术应用.doc

等离子体及其技术应用

生化系化学教育姓名:

蒋敏学号:

20101420

摘要:

通过介绍等离子体的概念、分类、特性、原理及其在化学工业、材料工业、电子工业、能源方面和机械工业、国防工业、生物医学及环境保护方面的技术应用。

关键词:

等离子体、概念、特性、原理、应用

前言:

等离子体是宇宙中物质存在的一种状态。

物质除固、液、气三态外,还有第四种状态即等离子态。

所谓等离子体就是气体在外力作用下发生电离,产生电荷相反、数量相等的电子和正离子以及游离基(电子、离子和游离基之间又可复合成原子和分子),由于在宏观上呈中性,故称之为等离子体。

处于等离于态的各种物质微粒具有较强的化学活性,在一定的条件下可获得较完全的化学反应,物质的各态之间是可以相互转化的。

1.等离子体

等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子、微料等)组成的,宏观上呈现准中性,且具有集体效应的混合气体。

所谓准中性是指在等离子体中的正负离子数目基本相等,系统在宏观上呈现中性,但在小尺度上则呈现出电磁性,而集体效应则突出地反映了等离子体与中性气体的区别。

1.1等离子体的含义

由电子、离子和中性粒子三种成分组成。

其中电子和离子的电荷总数基本相等,因而作为整体是电中性的。

等离子体是由大量带电粒子组成的有宏观空间尺度和时间尺度的体系。

1.2等离子体的产生

对液体加热使之温度升高,可以使它转化为气体。

在通常的气体中,物质的最小单元是分子。

如果对气体再加热使气体温度升高时,分子会分解成单个原子,这种以原子为基本单元而组成的气体叫做原子气体。

使原子气体的温度再升高,原子运动的速度增大。

通过相互碰撞使之电离出自由电子和阳离子,当许多原子被电离之后,会形成一个电离过程、电离成的离子与电子复合成中性微粒过程之间的动态平衡,因此在宏观上存在着大量不变的各种离子和电子,形成等离子状态。

除了高温下微粒通过碰撞发生电离之外,产生等离子体的方法很多,常用的产生等离子体的方法主要有以下几种:

1.1.1气体放电法

在电场作用下获得加速动能的带电粒子与气体分子碰撞、加之阴极二次电子发射等机制的作用,导致气体击穿放电而形成等离子体。

1.1.2光电离法和激光辐射电离

借入射光量子来使物质分子电离,只要光量子大于或等于该物质的第一电离能,可形成等离子体。

激光辐射不仅有单光子,还有多光子和级联电离机制;它的另一特点是可获得高温高密度等离子体。

1.1.3射线辐照法

用各种射线包括α、β、γ和射线或粒子束电子束、离子束等对气体辐照也可产生等离子体。

1.1.4燃烧法

借助热运动动能使气体中足够大的原子、分子相互碰撞引起电离。

这种方法产生的等离子体称火焰等离子体。

2.等离子体的分类

2.1按产生方式分类

按产生方式可分为天然等离子体和人工等离子体。

天然等离子体:

宇宙中99.9%的物质处于等离子体状态,如恒星星系、星云等。

地球比较特别,物质大部分以凝聚态形式存在,能量水平低。

可是在大气中,由于宇宙射线等外来高能射线的作用,在每立方厘米内每秒会产生20个离子。

当然,对密度为每立方厘米1019个分子的大气来讲,这种电离程度太微弱了。

但是雷雨时的闪电,可使大气达到很高的电离度,形成可观的等离子体。

大气上部出现的极光,以及黑夜天空中的余辉,则是另一种形式的等离子体。

人工等离子体:

人们周围随处可见人工产生的等离子体,如日光灯、霓虹灯中的放电等离子体,等离子体炬(焊接、新材料制备、消除污染)中眩目的电弧放电等离子体,爆炸、冲击波中的等离子体以及气体激光器和各种气体放电中的电离气体。

2.2按电离度分类

等离子体中存在电子、正离子和中性粒子(包括不带电荷的粒子,如原子或分子以及原子团)等三种粒子。

等离子体可分为以下三类:

当B=1时,称为完全电离等离子体,如日冕,核聚变中的高温等离子体,其电离度是100%;0.01

如大气电离层、极光、雷电、电晕放电等都属于部分电离等离子体;B<0.01时,称为弱电离等离子体,如火焰中的等离子体大部分是中性粒子,带电粒子成分较少,属于弱电离等离子体。

2.3按热力学平衡分类

根据离子温度与电子温度是否达到热平衡,可把等离子体分为三类:

完全热平衡等离子体:

当整个等离子体系统温度T>5@103K时,体系处于热平衡状态,各种粒子的平均动能都相同,这种等离子体称为热力学平衡等离子体,简称平衡等离子体;局域热力学平衡等离子体:

就是局部处于热力学平衡的等离子体;非热力学平衡等离子体:

通过低气压放电获得等离子体时,气体分子间距非常大。

自由电子可在电场方向得到较大加速度,从而获得较高的能量。

而质量较大的离子在电场中则不会得到电子那样大的动能,气体分子也一样。

所以,电子的平均动能远远超过中性粒子和离子的动能,电子的温度可高达104K,而中性粒子和离子的温度却只有300-500K.这种等离子体处于非平衡状态,所以称为非热力学平衡等离子体,简称非平衡等离子体。

2.4按系统温度分类

按系统温度可分为高温等离子体和低温等离子体。

高温等离子体中的粒子温度T>108-109K,粒子有足够的能量相互碰撞,达到了核聚变反应的条件。

低温等离子体又分为热等离子和冷等离子体两种。

热等离子体是稠密气体在常压或高压下电弧放电或高频放电而产生的,温度也在上千乃至数万开,可使分子、原子离解、电离、化合等。

冷等离子体的温度在100-1000K之间,通常是稀薄气体在低压下过激光、射频或微波电源发辉光放电而产生的。

2.5按产生方法和途径分类

除自然界本身产生的等离子体外,人为发生等离子的方法主要有气体放电法、射线辐射法、光电离法、热电离法、冲击波法等。

其中化工中最为常见的是气体放电法。

根据所加电场的频率,气体放电可分为直流放电、低频放电、高频放电、微波放电等多种类型;根据其放电形式又可分为电晕、辉光、弧光等离子体等;根据气压可分为低压等离子体和常压等离子体。

3.等离子体特性

通常称等离子体是“物质的第四态”,它是由许多可流动的带电粒子组成的体

系。

通常我们在日常生活中很难接触到等离子体,其原因是在正常情况下物质是以固态、液态及气态形式存在的。

实际上,在自然界中99%的物质是以等离子体状态存在的。

我们的地球就是被一弱电离的等离子体(即电离层)所包围。

在太空中的一些星体及星系就是由等离子体构成的,如太阳就是一氢等离子体球。

当然,人们也可以在实验室中采用不同的气体放电方法来产生等离子体。

用于材料表面改性或合成新材料的等离子体,一般都是由低气压放电产生的。

等离子体的状态主要取决于它的化学成分、粒子密度和粒子温度等物理化学参量,其中粒子的密度和温度是等离子体的两个最基本的参量。

对于实验室中采用气体放电方式产生的等离子体主要是由电子、离子、中性粒子或粒子团组成的。

因此,描述等离子体的密度参数和温度参数主要有:

电子的密度n和温度T、离子的密度n和温度T以及中性粒子的密度n和温度T。

在一般情况下,为了保证等离子体的宏观电中性,要求等离子体处在平衡状态时,电子密度近似地等于离子密度n»n=n。

可以用电离度

(1.1-1)

这个物理参量来描述等离子体的电离程度。

低气压放电产生的等离子体是一个弱电离的等离子体(<<1)。

当时,为完全电离等离子体。

对于实验室中采用低气压放电产生的等离子体,电子的温度T约为1~10eV(1eV=11600K),远大于离子的温度T(只有数百K,基本上等于中性粒子的温度)。

有时称这种等离子体为冷等离子体(ColdPlasma)。

等离子体在宏观上是呈电中性的。

但如果受到某种扰动,其内部将会出现局域电荷空间分离,产生电场。

如在等离子体中放入一带正电量q的小球,由于该电荷的静电场的作用,它将对等离子体中的电子进行吸引,而对离子进行排斥。

这样,在它的周围将形成一个带负电的球状“电子云”。

这时,带电小球在等离子体中产生的静电势不再是一简单的裸库仑势,而是一屏蔽的库仑势,如:

(1.1-2)

其中

(1.1-3)

为德拜屏蔽长度(DebyeShieldingLength).可见电子云对带电小球产生的库仑势(或场)起着屏蔽作用,这种现象被称为等离子体的德拜屏蔽。

德拜屏蔽长度是等离子体的一个重要物理参量。

为了保证一个带电粒子系统是一个等离子体,通常要求其空间尺度L要远大于德拜屏蔽长度,即:

L>>.对于典型的辉光放电等离子体,有,这样。

等离子体另一个特性是其振荡性。

一般地,处于平衡状态的等离子体在宏观上其密度分布是均匀的,但从微观上看,其密度分布是有涨落的,且这种密度涨落具有振荡性。

为了说明等离子体密度涨落的振荡性,不妨可以假设等离子体是仅由电子和离子组成的。

由于离子的质量较重,可以看成离子是不动的,构成一均匀分布的正电荷的本底。

如果在某点电子的密度突然受到扰动,相对正电荷的离子本底有一个移动,造成电荷空间分离。

但这种电荷空间分离不能继续进行下去,因为库仑力的作用将试图把电子拉回到其原来的平衡位置,以保持等离子体的电中性。

然而,由于电子具有惯性,它们到达平衡位置时并不能停止下来,而是朝另一个方向继续运动,造成新的电荷空间分离。

这样一来,库仑力又要试图把它们拉回到平衡位置,依此下去¼。

这种现象即称为等离子体的振荡(PlasmaOscillation)。

等离子体的振荡频率为

(1.1-4)

实际上,上面我们讨论的是等离子体中的电子密度的振荡性。

由于离子的质量远大于电子的质量,因此离子的振荡频率相对很小。

所以,通常讲等离子体的振荡实际上就是指电子的振荡。

是等离子体的另一个重要的物理量。

等离子体电中性条件要求:

等离子体放电的特征时间尺度t要远大于等离子体的振荡周期。

到达表面上的电子除一部分与离子复合外,还将剩余一部分,从而在基板上出现净负电荷积累,即基板表面相对等离子体区呈负电势。

该负电势将排斥向表面运动的后续电子,同时吸引正离子。

直到基体表面的负电势达到某个确定的值使离子流与电子流相等时为止。

显然,由于基体表面呈负电势,那么在基体表面与等离子体交界处形成一个由正离子构成的空间电荷层,也就是离子鞘层。

可以证明:

在这种情况下,基板上的电势为

(1.1-5)

实际上,不仅是悬浮的基板,凡是与等离子体交界的任何绝缘性物体,包括放电室的器壁、电极等,都会在其表面附近形成一离子鞘层。

特别是,在等离子体材料表面改性和合成薄膜材料技术中,通常在被加工的工件或基体上施加一负偏压,从几百伏到几十千伏。

这时,其表面将会形成一很厚的离子鞘层。

下面将看到这种离子鞘层对等离子体的工艺过程起着重要的影响,它直接决定着入射到工件表面上的带电粒子的能量分布和角度分布。

4.等离子体的应用原理

对常温常压条件下的气体通过高温加速电子加速离子给物质以能量。

物质被解离成阴,阳离子的状态,由于整个体系阴,阳离子总电荷相等,故称为等离子体。

而从通常的能量排布:

气体>液体>固体的角度来说,等离子的

展开阅读全文
相关资源
猜你喜欢
相关搜索

当前位置:首页 > 高中教育 > 英语

copyright@ 2008-2022 冰豆网网站版权所有

经营许可证编号:鄂ICP备2022015515号-1