等离子体模拟

等离子体技术与应用

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摘要

等离子体作为物质存在的一种基本形态，自18世纪中期被发现以来，对它的认识和利用不断深化。我们知道，普通化学反应和化工设备中所产生的温度只有二千多度。而在各种形式的气体放电所形成的低温等离子体中电子温度可达一万度以上，足以造成各种化学键的断裂，或使气体分子激发电离，产生许多在通常条件下不能发生的化学反应，获得通常条件下不能得到的化合物或化工产品，并且获得的化合物与化工产品不会产生热分解。目前，等离子体技术已被广泛的用于国防、工业、农业、环境、通信等一系列国民经济发展领域，极大地推动了信息产业的发展，促进了工业科技进步。

关键词 等离子体 微波放电 隐身技术 材料的表面改性 微波等离子灯

引言

等离子体是由带电的正粒子、负粒子（其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等）组成的集合体，其中正电荷和负电荷电量相等故称等离子体。他们在宏观上呈电中性的电离态气体（也有你液态、固态）。当温度足够高时，构成分子的原子也获得足够大的的动能，开始彼此分离，这一过程称为离解。在此基础上进一步提高温度，就会出现一种全新的现象，原子的外层电子将摆脱原子核的束缚而成为自由电子，失去电子的原子变成带正电的离子，这个过程叫电离。等离子体指的就是这种电离气体，它通常由光子、电子、基态原子（或分子）、激发态原子（或分子）以及正离子和负离子六种基本粒子构成的集合体。因此，等离子体也被称为物质的第四态。

内容

一、 等离子的性质

物质的第四态等离子体有着许多独特的物理、化学性质。只要表现如下：

1) 温度高、粒子动能大。

2) 作为带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能。等离子体从整体上看是

一种导体电流体。

3) 化学性质活泼，容易发生化学反应。

4) 发光特性，可以作光源。

二、等离子技术的应用

第５０卷２０１４年第１期西北师范大学学报（自然科学版）Ｖ０１．５０２０１４Ｎｏ．１ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｗｅｓｔＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）３９

激光产生的Ｓｉ等离子体的光谱分析

苏茂根，敏琦，张倩倩，刘进明

（甘肃省原子分子物理与功能材料重点实验室，西北师范大学物理与电子工程学院，甘肃兰州７３００７０）

摘要：利用双脉冲激光等离子体光谱技术测量了激光烧蚀Ｓｉ靶产生的极真空紫外波段等离子体光谱，通过标定发现，光谱中的分立谱线主要来自于Ｓｉ”一Ｓｉ”＋离子的２ｓ一２ｐ跃迁．基于稳态碰撞辐射模型和激发态粒子数布居满足归一化玻尔兹曼分布的假设，计算了不同电荷态Ｓｉ离子的离子丰度随电子温度的变化关系，并给出了不同等离子体参数条件下的理论模拟光谱．通过与实验光谱的比较，确定了等离子体参数．关键词：高电荷态硅离子；激光等离子体；稳态碰撞辐射（ＣＲ）模型中图分类号：Ｏ５６２．３文献标志码：Ａ文章编号：１００１—９８８Ｘ（２０１４）０１—００３９－０４

Ｓｐｅｃｔｒａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌａｓｅｒ。。ｐｒｏｄｕｃｅｄＳｉｐｌａｓｍａｓ

ＳＵＭａｏ—ｇｅｎ，ＭＩＮＱｉ，ＺＨＡＮＧＱｉａｎ—ｑｉａｎ，ＬＩＵＪｉｎ—ｍｉｎｇ

（ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｔｏｍｉｃａｎｄＭｏｌｅｃｕｌａｒＰｈｙｓｉｃｓ＆ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＭａｔｅｒｉａｌｓｏｆＧａｎｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅ．

ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００７０，Ｇａｎｓｕ，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆＳｉｐｌａｓｍａｉｎｔｈｅｅｘｔｒｅｍｅｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｒｅｇｉｏｎｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅ

ｄｏｕｂｌｅ—ｐｕｌｓｅｌａｓｅｒｐｒｏｄｕｃｅｄｐｌａｓｍａｍｅｔｈｏｄ，ｉｔ’Ｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｅｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｓｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ

等离子体综述

摘要

对等离子体、平均自由程、德拜长度等一些概念做了详细述说。主要是分析了各种郎缪尔探针的优劣，及评价探针结构优劣的理论依据，最终得到最优化探针结构。

一、引言

1.等离子体

“等离子体”其本意是电离状态气体正负电荷大体相等，整体上处于电中性。是气态下继续加热得到的一个状态。我们知道，物质的温度实际上是用来描述其内部粒子运动的剧烈程度的，当气体温度很高时，气体的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，物质就变成由相互作用并自由运动的电子和正离子组成的混合物。物质的这种存在状态被称为物质的第四态，即等离子体态。

等离子体中并不是所有的原子都会被离子化：工艺过程中用到的冷等离子体仅仅有1-10%被离子化，余下的气体仍然保持为中性原子或分子。在更高的温度，例如热核研究，等离子体完全离化。

通常来说，粒子流是处于热平衡的，意味着原子或分子具有麦克斯韦速率分布

f(v)=A𝑒−(12⁄𝑚𝑣2𝐾𝑇⁄)（1）

A是标准因子，K是玻尔兹曼常数。T是温度，它决定了分布宽度。

在等离子体中，离子、电子和中性粒子具有自己的温度：Ti， Te， Tn。三种粒子能互相渗透，但不能充分地碰撞从而使三种粒子等温。这是由于相对于大气压下的气体，等离子体密度非常低。但是每种粒子能和自己充分碰撞从而获得麦氏分布。非常热的等离子体可能不是麦氏分布了，这个时候需要“能动理论”解释。为了方便，表示温度一般用电子电压（eV）。典型低温等离子体电子温度是1~10eV，1eV=11,600K。

等离子体被普遍认为非常难理解，相对于流体动力学或电磁学来说确实是这样。等离子体作为带电粒子流，既有粒子间的相互碰撞又会受到电场或磁场的长程力影响。还有一个原因是，大部分的等离子体相当稀薄和热以至于不能视为连续的流体。典型低温等离子体密度值是108-1012cm-3。

2.德拜长度和鞘层

等离子体是带电粒子流，它以一种复杂的方式满足麦克斯韦方程组。等离子体中电场和磁场控制带电粒子的轨道。同时，带电粒子的移动能形成电荷团，从而产生电场或电流，进而产生磁场。

一、等离子体概述

物质有几个状态？学过初中物理的会很快回答固态、液态、气态。其实，等离子态是物质存在的又一种聚集态，称为物质的第四态。它是由大量的自由电子和离子组成，整体上呈现电中性的电离气体。

在一定条件下，物质的各态之间是可以相互转化的，当有足够的能量施予固体，使得粒子的平均动能超过粒子在晶格中的结合能，晶体被破坏，固体变成液体。若向液体施加足够的能量，使粒子的结合键破坏，液体就变成了气体。若对气体分子施加足够的能量，使电子脱离分子或原子的束缚成为自由电子，失去电子的原子成为带正电的离子时，中性气体就变成了等离子体。物质的状态对应了物质中粒子的有序程度，等离子内物质中的粒子有序程度是最差的。相应的，等离子体内的粒子具有较高的能量、较高的温度。实际上，宇宙中99.9%的物质处于等离子态，它是宇宙中物质存在的普遍形式，不过地球上，等离子体多是人造的。

人工如何造出等离子体呢？从上面的论述可以看出，等离子体的能量是很高的，任何物质加热到足够高的温度，都会成为电离态，形成等离子体。在太阳和恒星的内部，都存在着大量的高温产生的等离子体。太阳和恒星的热辐射和紫外辐射能使星际空间的稀薄气体产生电离，形成等离子体，如地球上空的电离层就是这样来的。各种直流、交流、脉冲放电等均可用来产生等离子体。利用激光也可以产生等离子体。

等离子体如何描述？温度。等离子体有两种状态：平衡状态和非平衡状态。等离子体中的带电粒子之间存在库伦力的作用，但是此作用力远小于粒子运动的热运动能。当讨论处于热平衡状态的等离子体时，常将等离子体当做理想气体处理，而忽略粒子间的相互作用。在热平衡状态下，粒子能量服从麦克斯韦分布。每个粒子的平均动能32EkT。对于处于非平衡状态下的等离子体，一般认为不同粒子成分各自处于热平衡态，分别用eT、iT、nT表示电子气、离子气和中性气体的温度，并表示各自的平均动能。可以用动力学温度ET（eV）表示等离子体的温度，ET的单位是能量单位，由粒子的动能公式可得2133222EEmvkTT，ET就是粒子的等效能量kT值（1eV的能量温度，相应的开氏绝对温度为1Tk=11600K）。