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    等離子體的產生和技術應用

    發表時間: 2020-01-12 15:42:48

    作者: 上海本希機電科技有限公司

    等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產生的正負電子組成的離子化氣體狀物質,它廣泛存在于宇宙中,常被視為是除去固、液、氣外,物質存在的第四態。等離子體是一種很好的導電體,利用經過巧妙設計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。等離子體物理的發展為材料、能源、信息、環境空間,空間物理,地球物理等科學的進一步發展提新的技術和工藝。

    等離子體是由部分電子被剝奪后的原子及原子被電離后產生的正負電子組成的離子化氣體狀物質,它廣泛存在于宇宙中,常被視為是除去固、液、氣外,物質存在的第四態。等離子體是一種很好的導電體,利用經過巧妙設計的磁場可以捕捉、移動和加速等離子體。等離子體物理的發展為材料、能源、信息、環境空間,空間物理,地球物理等科學的進一步發展提新的技術和工藝。

      概述

      看似“神秘”的等離子體,其實是宇宙中一種常見的物質,在恒星(例如太陽)、閃電中都存在等離子體,它占了整個宇宙的99%?,F在人們已經掌握利用電場和磁場產生來控制等離子體。例如焊工們用高溫等離子體焊接金屬。

      等離子體可分為兩種:高溫和低溫等離子體?,F在低溫等離子體廣泛運用于多種生產領域。例如:等離子電視,嬰兒尿布表面防水涂層,增加啤酒瓶阻隔性。更重要的是在電腦芯片中的蝕刻運用,讓網絡時代成為現實。

      高溫等離子體

      高溫等離子體只有在溫度足夠高時發生的。太陽和恒星不斷地發出這種等離子體,組成了宇宙的99%。低溫等離子體是在常溫下發生的等離子體(雖然電子的溫度很高)。低溫等離子體體可以被用于氧化、變性等表面處理或者在有機物和無機物上進行沉淀涂層處理。

      等離子體是物質的第四態,即電離子的“氣體”,它呈現出高度激發的不穩定態,其中包括離子(具有不同符號和電荷)、電子、原子和分子。其實,人們對等離子體現象并不生疏。在自然界里,熾熱爍爍的火焰、光輝奪目的閃電、以及絢爛壯麗的極光等都是等離子體作用的結果。對于整個宇宙來講,幾乎99.9%以上的物質都是以等離子體態存在的,如恒星和行星際空間等都是由等離子體組成的。用人工方法,如核聚變、核裂變、輝光放電及各種放電都可產生等離子體。分子或原子的內部結構主要由電子和原子核組成。在通常情況下,即上述物質前三種形態,電子與核之間的關系比較固定,即電子以不同的能級存在于核場的周圍,其勢能或動能不大。

      由離子、電子以及未電離的中性粒子的集合組成,整體呈中性的物質狀態.

      普通氣體溫度升高時,氣體粒子的熱運動加劇,使粒子之間發生強烈碰撞,大量原子或分子中的電子被撞掉,當溫度高達百萬開到1億開,所有氣體原子全部電離.電離出的自由電子總的負電量與正離子總的正電量相等.這種高度電離的、宏觀上呈中性的氣體叫等離子體.

      等離子體和普通氣體性質不同,普通氣體由分子構成,分子之間相互作用力是短程力,僅當分子碰撞時,分子之間的相互作用力才有明顯效果,理論上用分子運動論描述.在等離子體中,帶電粒子之間的庫侖力是長程力,庫侖力的作用效果遠遠超過帶電粒子可能發生的局部短程碰撞效果,等離子體中的帶電粒子運動時,能引起正電荷或負電荷局部集中,產生電場;電荷定向運動引起電流,產生磁場.電場和磁場要影響其他帶電粒子的運動,并伴隨著極強的熱輻射和熱傳導;等離子體能被磁場約束作回旋運動等.等離子體的這些特性使它區別于普通氣體被稱為物質的第四態.

      在宇宙中,等離子體是物質最主要的正常狀態.宇宙研究、宇宙開發、以及衛星、宇航、能源等新技術將隨著等離子體的研究而進入新時代.

      “火”既不是氣體或液體、更不是固體。它就是等離子體。

      低溫等離子體

      冰升溫至0℃會變成水,如繼續使溫度升至100℃,那么水就會沸騰成為水蒸氣。隨著溫度的上升,物質的存在狀態一般會呈現出固態→液態→氣態三種物態的轉化過程,我們把這三種基本形態稱為物質的三態。那么對于氣態物質,溫度升至幾千度時,將會有什么新變化呢? 由于物質分子熱運動加劇,相互間的碰撞就會使氣體分子產生電離,這樣物質就變成由自由運動并相互作用的正離子和電子組成的混合物(蠟燭的火焰就處于這種狀態)。我們把物質的這種存在狀態稱為物質的第四態,即等離子體態(plasma)。因為電離過程中正離子和電子總是成對出現,所以等離子體中正離子和電子的總數大致相等,總體來看為準電中性。反過來,我們可以把等離子體定義為:正離子和電子的密度大致相等的電離氣體。

      從剛才提到的微弱的蠟燭火焰,我們可以看到等離子體的存在,而夜空中的滿天星斗又都是高溫的完全電離等離子體。據印度天體物理學家沙哈(M·Saha,1893-1956)的計算,宇宙中的99.9%的物質處于等離子體狀態。而我們居住的地球倒是例外的溫度較低的星球。此外,對于自然界中的等離子體,我們還可以列舉太陽、電離層、極光、雷電等。在人工生成等離子體的方法中,氣體放電法比加熱的辦法更加簡便高效,諸如熒光燈、霓虹燈、電弧焊、電暈放電等等。在自然和人工生成的各種主要類型的等離子體的密度和溫度的數值,其密度為106(單位:個/m3)的稀薄星際等離子體到密度為1025的電弧放電等離子體,跨越近20個數量級。其溫度分布范圍則從100K(1K=-273.16℃)的低溫到超高溫核聚變等離子體的108-109K(1~10億度)。 溫度軸的單位eV(electron volt)是等離子體領域中常用的溫度單位,1eV=11600K。

      通常,等離子體中存在電子、正離子和中性粒子(包括不帶電荷的粒子如原子或分子以及原子團)等三種粒子。設它們的密度分別為ne,ni,nn,由于準電中性,所以電離前氣體分子密度為ne≈nn。于是,我們定義電離度β=ne/(ne+nn),以此來衡量等離子體的電離程度。日冕、核聚變中的高溫等離子體的電離度都是100%,像這樣β=1的等離子體稱為完全電離等離子體。電離度大于1%(β≥10-2)的稱為強電離等離子體,像火焰中的等離子體大部分是中性粒子(β<10-3 ),稱之為弱電離等離子體。

      若放電是在接近于大氣壓的高氣壓條件下進行,那么電子、離子、中性粒子會通過激烈碰撞而充分交換動能,從而使等離子體達到熱平衡狀態。若電子、離子、中性粒子的溫度分別為了Te,Ti,Tn,我們把這三種粒子的溫度近似相等(Te≈Ti≈Tn)的熱平衡等離子體稱為熱等離子體(thermal plasma),在實際的熱等離子體發生裝置中,陰極和陽極間的電弧放電作用使得流入的工作氣體發生電離,輸出的等離子體呈噴射狀,可稱為等離子體炬(plasma jet)或等離子體噴焰(plasma torch)等。

      另一方面,數百帕以下的低氣壓等離子體常常處于非熱平衡狀態。此時,電子在與離子或中性粒子的碰撞過程中幾乎不損失能量,所以有Te>>Ti , Te>>Tn。我們把這樣的等離子體稱為低溫等離子體(cold plasma)。當然,即使是在高氣壓下,低溫等離子體也可以通過不產生熱效應的短脈沖放電模式如電暈放電(corona discharge)、介質阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge, DBD)或滑動電弧放電(Glide Arc Discharge or Plasma Arc)來生成。大氣壓下的輝光放電技術目前也已成為世界各國的研究熱點??僧a生大氣壓非平衡態等離子體的機理尚不清楚,在高氣壓下等離子體的輸運特性的研究也剛剛起步,現已形成新的研究熱點。

      等離子體的分類

      按等離子體焰溫度

      (1)高溫等離子體:溫度相當于10~10 K完全電離的等離子體,如太陽、受控熱核聚變等離子體。

      (2)低溫等離子體:

      熱等離子體:稠密高壓(1大氣壓以上),溫度10~10K,如電弧、高頻和燃燒等離子體。

      冷等離子體:電子溫度高(10~10K)、氣體溫度低,如稀薄低壓輝光放電等離子體、電暈放電等離子體、DBD介質阻擋放電等離子體、索梯放電等離子體等。

      按等離子體所處的狀態

      (1)平衡等離子體:氣體壓力較高,電子溫度與氣體溫度大致相等的等離子體。如常壓下的電弧放電等離子體和高頻感應等離子體。

      (2)非平衡等離子體:低氣壓下或常壓下,電子溫度遠遠大于氣體溫度的等離子體。如低氣壓下DC輝光放電和高頻感應輝光放電,大氣壓下DBD介質阻擋放電等產生的冷等離子體。

      低溫等離子體的產生方法

      輝光放電

      電暈放電

      介質阻擋放電

      射頻放電

      滑動電弧放電

      射流放電

      大氣壓輝光放電

      次大氣壓輝光放電

      主要應用

      等離子體主要用于以下幾方面。

      等離子體冶煉

      用于冶煉用普通方法難于冶煉的材料,例如高熔點的鋯 (Zr)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鎢(W)等金屬;還用于簡化工藝過程,例如直接從ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分別獲得Zr、Mo、Ta和Ti;用等離子體熔化快速固化法可開發硬的高熔點粉末,如碳化鎢-鈷、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等粉末等離子體冶煉的優點是產品成分及微結構的一致性好,可免除容器材料的污染

      等離子體噴涂

      許多設備的部件應能耐磨耐腐蝕、抗高溫,為此需要在其表面噴涂一層具有特殊性能的材料。用等離子體沉積快速固化法可將特種材料粉末噴入熱等離子體中熔化,并噴涂到基體(部件)上,使之迅速冷卻、固化,形成接近網狀結構的表層,這可大大提高噴涂質量。

      等離子體焊接

      可用以焊接鋼、合金鋼;鋁、銅、鈦等及其合金。特點是焊縫平整,可以再加工,沒有氧化物雜質,焊接速度快。用于切割鋼、鋁及其合金,切割厚度大。

      等離子體刻蝕

      在半導體制造技術中,等離子體刻蝕是干法刻蝕中最常見的一種方法,等離子體產生的帶能粒子(轟擊的正離子)在強電場下,朝硅片表面加速,這些例子通過濺射刻蝕作用去除未被保護的硅片表面材料,從而完成一部分的硅刻蝕。

      等離子體隱身

      在軍事應用于飛行器的隱身。

      等離子體核聚變

      托克馬克及ITER裝置,都是研究核聚變應用發電的實例

      等離子技術

      所謂等離子體,就電氣技術而言,它指的是一種擁有離子、電子和核心粒子的不帶電的離子化物質。等離子體包括有,幾乎相同數量的自由電子和陽極電子。在一個等離子中,其中的粒子已從核心粒子中分離了出來。因此,當一個等離子包括大量的離子和電子,從而是電的***導體,而且它會受到磁場的影響,當溫度高時,電子便會從核心粒子中分離出來了。

      任何物質由原子組成,有原子核和電子,又細分為離子,它們按一定規律形成物質。當產生特殊條件,如高溫,放電,就會引起離子散開,這個過程稱之為“電離”。電離過后,這些離子形成一團由游離態離子組成的離子團,稱之為等離子體。


    等離子體的產生和技術應用
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