物质的第四态-等离子体(Plasma)

等离子体物理与技术 Plasma Physics and Technology 西安交通大学 李永东

课程主要内容 第一章 绪论（2课时） 第二章 等离子体态（2课时） 第三章 电磁场中的单粒子运动 （4课时） 第四章 等离子体动中的随机过程 （4课时） 第五章 流体模型（2课时） 第六章 等离子体中的波（4课时） 第七章 等离子体边界（4课时） 第八章 等离子体动力学（2课时） 第九章 等离子体产生方法（4课时） 第十章 等离子体应用（4课时）

主要参考书 菅井秀郎(日本) 编著, 张海波 张丹 译. 等离子体电子工程学. 北京: 科学出版社, 2000. F.F. Chen. Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion(3rd edition). New York：Springer，2016. M. A. Lieberman, A. J. Lichtenberg著, 蒲以康 等译. 等离子体放电原理与材料处理. 北京: 科学出版社, 2007. 刘万东. 等离子体物理导论. 中国科学技术大学近代物理系 讲义(电子文档), 2002. Plasma Physics. An Introduction to Laboratory, Space, and Fusion Plasmas-Springer (2017)-Alexander Piel

考核办法 平时成绩(30%) 考勤(10%) 作业(20%) 期末考试(70%)

联系方式 E mail ftp 李永东 leyond@xjtu.edu.cn (电子物理与器件教育部重点实验室，教二楼东南角) ftp ftp://202.117.18.164/incoming/plasma2016

本讲主要内容 第一章 绪论 （2学时） 1.1 等离子体的概念和分类 1.2 等离子体物理与技术的发展历史 1.3 等离子体物理学的研究方法

物质的状态 液体（舞者成双，慢舞） 柔和的音乐 固体（舞者成双，准备起舞） 音乐准备 气体（舞者成双，快舞） 快节奏、摇滚 等离子体（舞者脱离舞伴，热舞） 音乐燃烧、Disco

什么是等离子体？ 固体 冰 液体 水 气体 水汽 电离气体 温度 00C 1000C 100000C 等离子体 带电粒子和中性粒子组成的表现出集体行为的一种准中性气体，物质的第四态。英文：plasma 固体 冰 液体 水 气体 水汽 等离子体 电离气体 温度 00C 1000C 100000C

关于物质, 关于宇宙 什么是物质？ 人类对物质的认识过程 宇宙的起源-大爆炸说(Big Bang Model) 人类生活中自 然就接触到固体、液体 约300年前，真正认识气体 约100年前，发现等离子体 与物质的形成过程恰好相反 宇宙的起源-大爆炸说(Big Bang Model) 高温向低温变化的过程 等离子体气体液体固体

闪电 电离层 极光 太阳风 星云 宇宙中有多少物质是等离子体？

天然等离子体 人类的生活中就没有等离子体吗？ 宇宙中99%的物质都是等离子体 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(天然等离子体) 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 人类生存在有水的热力学环境，这种环境远离等离子体物态普遍存在的状态 水存在的环境使地球文明得以进化、发展 天然等离子体就只能存在于远离人群的地方 人类的生活中就没有等离子体吗？

人造等离子体 人造等离子体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 日光灯 弧光灯 火焰

等离子体球 PDP 紫外线空气净化器

人造等离子体（续） 等离子体射流（Plasma Jet） 等离子体射流

人造等离子体（续） 典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜（微纳加工）、 表面改性、喷涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理 等离子体切割 薄膜沉积设备 等离子体垃圾处理系统

人造等离子体（续） 高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率微波、 离子源、等离子体隐身、等离子体推进 EAST: 中国的热核聚变反应堆 (2亿人民币) Experimental Advanced Superconducting Tokamak ITER: 国际热核聚变反应堆 (100亿美元) International Thermonuclear Experimental Reactor

等离子体推进器 微波弹 SMART-1

1.1 等离子体的概念和分类

Irving Langmuir 1881 - 1957 Nobel Laureate: 1932 Plasma一词的由来 Plasma为希腊语πλασμα的音译。原意相当于英语的“to mold”，指“成形”。 医学界当时已用于指代“血浆” Langmuir注意到辉光放电产生的电离气体有这种成形特性 放电气体发光部分会随放电管形状变化（1928年） 台湾译为“电浆” 克鲁克斯1879年放电实验首次提出“物质第四态” Irving Langmuir 1881 - 1957 Nobel Laureate: 1932

几点说明 不是所有电离气体都是等离子体！ 正、负带电粒子在电量上基本平衡 （电中性）： ne≈ni ne表示电子密度，ni表示离子的密度 具有一定电离度（离子/中性气体粒子比） 温度约为1eV（11600K） 正、负带电粒子在电量上基本平衡 （电中性）： ne≈ni　 ne表示电子密度，ni表示离子的密度 基本成份： 电子、离子（正离子和负离子） 中性气体分子、原子（完全电离则无） 只有电子或者离子（不满足电中性，但集体作用明显广义等离子体） 可以导电

几点说明（续） 带电粒子之间存在着库仑静电力(长程力：电荷运动正、负电荷局部集中电、磁场影响远处粒子) 电磁力和万有引力两种长程力： 库仑力：　F=q1q2/(4πε0d2) , 1/(4πε0)=9.0×109m/F 万有引力： F=m1m2G/d2, G=6.67×10-11Nm2/kg2 库仑力>>万有引力 短程力：碰撞 集体行为 任何带电粒子的运动都会受其它带电粒子的影响 区别普通气体和等离子体的重要因素 来源于长程力（库仑力）

几点说明 等离子体与气体的区别 特性 气体 等离子体 电导率 非常低: 空气是理想的绝缘体（30kV/cm击穿形成等离子体） 通常很高: 有的情况下接近无穷. 粒子类型 一种: 中性粒子，所有粒子受相同的力作用（万有引力和碰撞）. 两至三种: 电子、离子、中性粒子。产生波动、不稳定性现象 速度分布 Maxwellian分布: 快粒子少. 通常为non-Maxwellian分布: 热等离子体有较多快粒子. 相互作用 二体碰撞: 少量三体碰撞. 集体作用: 通过电磁力与碰撞

等离子体的分类 高 温 等离子体 低 温 等离子体 电子温度 100000C 1eV 冷等离子体 Te≠Ti, Ta 电弧 日光灯 热：热平衡 冷：非热平衡 聚变、太阳核心 高 温 等离子体 低 温 等离子体 电子温度 100000C 1eV

等离子体的分类 固态等离子体和液态等离子体（广义） 电解溶液 半导体中的电子和空穴 生物细胞膜的离子通道

冷等离子体应用 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 冷等离子体的主要特性 电子能量（eV）远大于分子键能（0.1eV） 冷等离子体的主要特性 化学 光学 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 表面冶金 光源 冷光源（节能，线光谱） 气体激光器 等离子体显示器

举例-等离子体微纳加工技术 集成电路制造的阶段 线表示与等离子体相关 三分之一的微电子器件加工设备采用等离子体技术 集成电路制造的阶段 线表示与等离子体相关 三分之一的微电子器件加工设备采用等离子体技术 “十二五”期间，我国通过“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”（即“02专项”）支持集成电路产业，且支持力度还将加大。我国半导体行业的投资超过2700亿元

举例-等离子体微纳加工技术 主要相关工艺： 深亚微米和纳米的等离子体刻蚀制版 等离子体气相沉积制备微电子材料薄膜 离子注入掺杂 等离子体清洗 CMOS工艺流程的主要步骤 主要相关工艺： 深亚微米和纳米的等离子体刻蚀制版 等离子体气相沉积制备微电子材料薄膜 离子注入掺杂 等离子体清洗

举例-等离子体微纳加工技术 干法等离子体刻蚀机示意图 化学气相沉积工艺腔示意图

彩色PDP曾是大尺寸平板电视的有力竞争者 放电发光 真空紫外线（VUV） 荧光粉 可见光 彩色PDP曾是大尺寸平板电视的有力竞争者 工作原理本身利用气体放电产生等离子体 制造过程也需要等离子体加工工艺 (PDP：Plasma Display Panel)

举例-等离子体显示(PDP) 显示单元结构示意图 显示电极(ITO) 汇流电极(Bus) 前基板玻璃 介质层 保护膜(MgO) 荧光粉 障壁 R 显示电极(ITO) 汇流电极(Bus) 前基板玻璃 介质层 保护膜(MgO) 荧光粉 障壁 后基板玻璃 寻址电极 显示单元结构示意图

举例-等离子体显示(PDP) 发光单元工作原理图

热等离子体应用 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 热等离子体的主要特性 高温加热 材料合成、加工 光源 热学、电学、光学等 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 光源 强光源（近黑体连续辐射） 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

高温等离子体-核聚变 D + T = n + 4He 1克氘 ≒ 10000升汽油 100升海水含3克氘,天然存在于海水中的氘有45万亿吨，可供人类用上亿年 不产生温室气体和高放射性核废料 全球每年能源消费约1000万兆瓦，预计2050年为3000万兆瓦，传统能源只够用约100年 一座100万千瓦的核聚变电站，每年耗氘量只需304千克

空间和天体等离子体 天体物理以等离子体物理为基础 星系乃巨大的聚变反应堆！

应用领域归纳 能源 物质 材料 环境 宇宙 医学 ［电气应用］ 热电子发电 MHD发电 核聚变发电 闸流管 引燃管 ［光学应用］ 物质 材料 环境 宇宙 医学 ［电气应用］ 热电子发电 MHD发电 核聚变发电 闸流管 引燃管 ［光学应用］ 照明用放电管 霓虹灯 气体激光器 等离子体显示 紫外线光源 X射线源 ［力学应用］ 离子源 电子源 粒子加速 ［热学应用］ 电弧焊接 放电加工 等离子体喷涂 烧结 生成微粒材料 ［化学应用］ 表面改性 等离子体化学气相沉积 等离子体刻蚀 (太阳能电池、LCD、LSI 及DRAM等制造工艺） 溅射 离子注入 粒子束加工 等离子体熔炼 城市垃圾处理 静电除尘装置 空气清洁器 汽车静电喷漆 火箭推进 臭氧发生器 皮肤病治疗 燃烧废气处理 有机溶剂处理 汽车尾气处理

1.2 等离子体科学与技术发展历史

等离子体科学与技术发展历史 19世纪30年代起 物理学 20世纪50年代起 20世纪80年代起 21世纪初 放电管中电离气体，现象认识 建立等离子体物理基本理论框架 20世纪50年代起 受控热核聚变 空间技术 等离子体物理成为独立的分支学科 20世纪80年代起 气体放电和电弧技术发展应用 低温等离子体物理发展 21世纪初 等离子体医学兴起 物理学 理论物理 粒子物理与原子核物理 原子物理与分子物理 等离子体物理 凝聚态物理 声学 光学 无线电学

等离子体物理里程碑之一 1835年，法拉第（M. Faraday），研究了气体放电基本现象，发现了辉光放电管中发光亮与暗的特征区域 1879年，克鲁克斯（W. Crookes）提出用“物质第四态”来描述气体放电产生的电离气体 1902年，克尼理（A. E. Kenneally）和赫维塞德（O. Heaviside）提出电离层假设，解释短波无线电在天空反射的现象 1923年，德拜（P. Debye）提出屏蔽概念 1925年，阿普勒顿（E. V. Appleton）提出电磁波在电离层中传播理论，并划分电离层 1928年，朗缪尔（I. Langmuir）提出集体振荡等重要概念 1929年，朗缪尔与汤克斯（L. Tonks）首次提出“Plasma”一词

等离子体物理里程碑之二 1937年，阿尔芬（H. Alfven）指出等离子体与磁场的相互作用在空间和天文物理学中起重要作用 1946年，朗道（L. Landau）理论预言等离子体中存在无碰撞阻尼，即朗道阻尼 1952年，美国受控热核聚变的“Sherwood”计划开始，英国、法国、苏联也开展了相应的计划 1958年，人们发现等离子体物理是受控热核聚变研究的关键，开展广泛的国际合作 1950-1980年代，受控热核聚变研究和空间等离子体的研究使现代等离子体物理学建立起来 1980年起，低温等离子体的广泛应用使等离子体物理与科学达到新的高潮 2000年起，低温等离子体在皮肤病、牙病治疗方面的应用兴起

1.3 等离子体物理的研究方法

1.3 等离子体物理的研究方法 单粒子方法 流体方法（磁流体力学，MHD, Magnetohydrodynamic） 动力学方法(Kinetic theory)

单粒子方法 微观描述 基本方程：粒子运动方程，库仑定律（或Maxwell方程） 关心的基本参量（变量）：粒子位置、速度，电荷与电流密度分布、电磁场分布 最详尽、所作忽略最少，但无法求解 简化的单粒子轨道理论只适用于非常稀薄的等离子体 计算机模拟(Particle-in-cell method, 粒子模拟)

流体方法 宏观描述（适用于较稠密的等离子体） 基本方程： 关心的基本参量：粒子密度分布、速度分布、电磁场分布、等离子体压强 连续性方程（质量守恒） 动量方程（动量守恒） 能量方程（能量方程） 电磁场 Maxwell方程 关心的基本参量：粒子密度分布、速度分布、电磁场分布、等离子体压强 理想简单情况可求解，大多数仍然依靠计算机模拟，流体模拟的速度比粒子模拟快！

动力学方法 微观方法（有宏观含义，也称动力论） 基本方程：Boltzmann方程 关心的基本参量（变量）：相空间分布函数的时空演变 个别情况能求近似解。通过利用速度空间的矩（零、一、二阶矩对应等离子体的质量密度、动量流密度和能流密度），可推导出磁流体力学方程

《等离子体科学与技术》知识树 主等离子体 直流放电 微观方法 宏观方法 交流/射频放电 鞘层 微波放电 等离子体物理与技术 原理与方法 流体力学方程/流体模拟 绝缘击穿 单粒子运动方程/粒子模拟 等效介电常数/电导率 放电模式 迁移/扩散 帕邢定律 漂移 温度/密度 辉光放电 直流放电 微观方法 宏观方法 碰撞 电弧放电 主等离子体 CCP 静电振荡 原理与方法 交流/射频放电 德拜屏蔽 等离子体生成方法 概念与现象 玻姆判据 ICP 鞘层 费米加速 微波放电 朗缪尔探针 等离子体物理与技术 双极扩散 正离子鞘层 表面波等离子体 ECR等离子体

几个前沿课题举例 领域 高功率微波技术 空间微波器件特殊效应 脉冲功率技术

几个前沿课题举例 问题1：微波器件中的微放电效应和低气压放电 理论方法：推导获得简化结构中放电阈值满足的理论表达式 数值模拟：复杂部件中放电阈值分析

几个前沿课题举例 问题2：微波介质窗表面的击穿 vacuum SF6 bag HPM Source 介质窗

几个前沿课题举例 问题3：高电压纳秒脉冲放电 2ns 2.5ns 3ns 3.5ns 4ns 4.5ns 气体开关

作业1 从“应用领域归纳”中选择一种等离子体的应用，进行调研（内容包括：基本原理、应用现状和目前面临的问题或发展动向） 2周内完成，提交电子文档 字数要求：3000字以上 严禁直接拷贝/粘贴 推荐：火力发电的等离子体点火、等离子体对细胞的作用、核聚变等离子体、等离子体刻蚀技术、等离子体隐身、等离子体推进技术