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等离子体的产生和技术应用
编辑:上海多木实业有限公司   时间:2019-07-31

等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质,它广泛存在于宇宙中,常被视为是除去固、液、气外,物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体,利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间,空间物理,地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。

  概述

  看似“神秘”的等离子体,其实是宇宙中一种常见的物质,在恒星(例如太阳)、闪电中都存在等离子体,它占了整个宇宙的99%。现在人们已经掌握利用电场和磁场产生来控制等离子体。例如焊工们用高温等离子体焊接金属。

  等离子体可分为两种:高温和低温等离子体。现在低温等离子体广泛运用于多种生产领域。例如:等离子电视,婴儿尿布表面防水涂层,增加啤酒瓶阻隔性。更重要的是在电脑芯片中的蚀刻运用,让网络时代成为现实。

  高温等离子体

  高温等离子体只有在温度足够高时发生的。太阳和恒星不断地发出这种等离子体,组成了宇宙的99%。低温等离子体是在常温下发生的等离子体(虽然电子的温度很高)。低温等离子体体可以被用于氧化、变性等表面处理或者在有机物和无机物上进行沉淀涂层处理。

  等离子体是物质的第四态,即电离子的“气体”,它呈现出高度激发的不稳定态,其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。其实,人们对等离子体现象并不生疏。在自然界里,炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲,几乎99.9%以上的物质都是以等离子体态存在的,如恒星和行星际空间等都是由等离子体组成的。用人工方法,如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。分子或原子的内部结构主要由电子和原子核组成。在通常情况下,即上述物质前三种形态,电子与核之间的关系比较固定,即电子以不同的能级存在于核场的周围,其势能或动能不大。

  由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成,整体呈中性的物质状态.

  普通气体温度升高时,气体粒子的热运动加剧,使粒子之间发生强烈碰撞,大量原子或分子中的电子被撞掉,当温度高达百万开到1亿开,所有气体原子全部电离.电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等.这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体.

  等离子体和普通气体性质不同,普通气体由分子构成,分子之间相互作用力是短程力,仅当分子碰撞时,分子之间的相互作用力才有明显效果,理论上用分子运动论描述.在等离子体中,带电粒子之间的库仑力是长程力,库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果,等离子体中的带电粒子运动时,能引起正电荷或负电荷局部集中,产生电场;电荷定向运动引起电流,产生磁场.电场和磁场要影响其他带电粒子的运动,并伴随着极强的热辐射和热传导;等离子体能被磁场约束作回旋运动等.等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态.

  在宇宙中,等离子体是物质最主要的正常状态.宇宙研究、宇宙开发、以及卫星、宇航、能源等新技术将随着等离子体的研究而进入新时代.

  “火”既不是气体或液体、更不是固体。它就是等离子体。

  低温等离子体

  冰升温至0℃会变成水,如继续使温度升至100℃,那么水就会沸腾成为水蒸气。随着温度的上升,物质的存在状态一般会呈现出固态→液态→气态三种物态的转化过程,我们把这三种基本形态称为物质的三态。那么对于气态物质,温度升至几千度时,将会有什么新变化呢? 由于物质分子热运动加剧,相互间的碰撞就会使气体分子产生电离,这样物质就变成由自由运动并相互作用的正离子和电子组成的混合物(蜡烛的火焰就处于这种状态)。我们把物质的这种存在状态称为物质的第四态,即等离子体态(plasma)。因为电离过程中正离子和电子总是成对出现,所以等离子体中正离子和电子的总数大致相等,总体来看为准电中性。反过来,我们可以把等离子体定义为:正离子和电子的密度大致相等的电离气体。

  从刚才提到的微弱的蜡烛火焰,我们可以看到等离子体的存在,而夜空中的满天星斗又都是高温的完全电离等离子体。据印度天体物理学家沙哈(M·Saha,1893-1956)的计算,宇宙中的99.9%的物质处于等离子体状态。而我们居住的地球倒是例外的温度较低的星球。此外,对于自然界中的等离子体,我们还可以列举太阳、电离层、极光、雷电等。在人工生成等离子体的方法中,气体放电法比加热的办法更加简便高效,诸如荧光灯、霓虹灯、电弧焊、电晕放电等等。在自然和人工生成的各种主要类型的等离子体的密度和温度的数值,其密度为106(单位:个/m3)的稀薄星际等离子体到密度为1025的电弧放电等离子体,跨越近20个数量级。其温度分布范围则从100K(1K=-273.16℃)的低温到超高温核聚变等离子体的108-109K(1~10亿度)。 温度轴的单位eV(electron volt)是等离子体领域中常用的温度单位,1eV=11600K。

  通常,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。设它们的密度分别为ne,ni,nn,由于准电中性,所以电离前气体分子密度为ne≈nn。于是,我们定义电离度β=ne/(ne+nn),以此来衡量等离子体的电离程度。日冕、核聚变中的高温等离子体的电离度都是100%,像这样β=1的等离子体称为完全电离等离子体。电离度大于1%(β≥10-2)的称为强电离等离子体,像火焰中的等离子体大部分是中性粒子(β<10-3 ),称之为弱电离等离子体。

  若放电是在接近于大气压的高气压条件下进行,那么电子、离子、中性粒子会通过激烈碰撞而充分交换动能,从而使等离子体达到热平衡状态。若电子、离子、中性粒子的温度分别为了Te,Ti,Tn,我们把这三种粒子的温度近似相等(Te≈Ti≈Tn)的热平衡等离子体称为热等离子体(thermal plasma),在实际的热等离子体发生装置中,阴极和阳极间的电弧放电作用使得流入的工作气体发生电离,输出的等离子体呈喷射状,可称为等离子体炬(plasma jet)或等离子体喷焰(plasma torch)等。

  另一方面,数百帕以下的低气压等离子体常常处于非热平衡状态。此时,电子在与离子或中性粒子的碰撞过程中几乎不损失能量,所以有Te>>Ti , Te>>Tn。我们把这样的等离子体称为低温等离子体(cold plasma)。当然,即使是在高气压下,低温等离子体也可以通过不产生热效应的短脉冲放电模式如电晕放电(corona discharge)、介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge, DBD)或滑动电弧放电(Glide Arc Discharge or Plasma Arc)来生成。大气压下的辉光放电技术目前也已成为世界各国的研究热点。可产生大气压非平衡态等离子体的机理尚不清楚,在高气压下等离子体的输运特性的研究也刚刚起步,现已形成新的研究热点。

  等离子体的分类

  按等离子体焰温度

  (1)高温等离子体:温度相当于10~10 K完全电离的等离子体,如太阳、受控热核聚变等离子体。

  (2)低温等离子体:

  热等离子体:稠密高压(1大气压以上),温度10~10K,如电弧、高频和燃烧等离子体。

  冷等离子体:电子温度高(10~10K)、气体温度低,如稀薄低压辉光放电等离子体、电晕放电等离子体、DBD介质阻挡放电等离子体、索梯放电等离子体等。

  按等离子体所处的状态

  (1)平衡等离子体:气体压力较高,电子温度与气体温度大致相等的等离子体。如常压下的电弧放电等离子体和高频感应等离子体。

  (2)非平衡等离子体:低气压下或常压下,电子温度远远大于气体温度的等离子体。如低气压下DC辉光放电和高频感应辉光放电,大气压下DBD介质阻挡放电等产生的冷等离子体。

  低温等离子体的产生方法

  辉光放电

  电晕放电

  介质阻挡放电

  射频放电

  滑动电弧放电

  射流放电

  大气压辉光放电

  次大气压辉光放电

  主要应用

  等离子体主要用于以下几方面。

  等离子体冶炼

  用于冶炼用普通方法难于冶炼的材料,例如高熔点的锆 (Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)等金属;还用于简化工艺过程,例如直接从ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分别获得Zr、Mo、Ta和Ti;用等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末,如碳化钨-钴、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末等离子体冶炼的优点是产品成分及微结构的一致性好,可免除容器材料的污染

  等离子体喷涂

  许多设备的部件应能耐磨耐腐蚀、抗高温,为此需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。用等离子体沉积快速固化法可将特种材料粉末喷入热等离子体中熔化,并喷涂到基体(部件)上,使之迅速冷却、固化,形成接近网状结构的表层,这可大大提高喷涂质量。

  等离子体焊接

  可用以焊接钢、合金钢;铝、铜、钛等及其合金。特点是焊缝平整,可以再加工,没有氧化物杂质,焊接速度快。用于切割钢、铝及其合金,切割厚度大。

  等离子体刻蚀

  在半导体制造技术中,等离子体刻蚀是干法刻蚀中最常见的一种方法,等离子体产生的带能粒子(轰击的正离子)在强电场下,朝硅片表面加速,这些例子通过溅射刻蚀作用去除未被保护的硅片表面材料,从而完成一部分的硅刻蚀。

  等离子体隐身

  在军事应用于飞行器的隐身。

  等离子体核聚变

  托克马克及ITER装置,都是研究核聚变应用发电的实例

  等离子技术

  所谓等离子体,就电气技术而言,它指的是一种拥有离子、电子和核心粒子的不带电的离子化物质。等离子体包括有,几乎相同数量的自由电子和阳极电子。在一个等离子中,其中的粒子已从核心粒子中分离了出来。因此,当一个等离子包括大量的离子和电子,从而是电的最佳导体,而且它会受到磁场的影响,当温度高时,电子便会从核心粒子中分离出来了。

  任何物质由原子组成,有原子核和电子,又细分为离子,它们按一定规律形成物质。当产生特殊条件,如高温,放电,就会引起离子散开,这个过程称之为“电离”。电离过后,这些离子形成一团由游离态离子组成的离子团,称之为等离子体。


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