等离子体概述
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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32E kT =。
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e T 、i T 、n T 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E T (eV )表示等离子体的温度,E T 的单位是能量单位,由粒子的动能公式可得2133222E E mv kT T ===,E T 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1T k==11600K )。
概述组成:带电粒子(电子、离子),中性粒子(原子、分子、微粒等)。
特性:准中性:宏观上呈现中性;集体效应:任何带电粒子的运动状态均受到其它带电粒子的影响。
光致电离作用:两个核心概念德拜半径(德拜长度)D λ:用来表征等离子体中带电粒子静电势的作用范围。
在等离子体中,与没有等离子体存在的情况相比,电场强度减少到1=e e 2.71828时的距离。
假设:所有离子的电离方式均一致,j i=1,n e=n i=n 。
T e=T i=T 可得:::1/2022Di e i ii ei ke n j n T T ελ⎡⎤⎢⎥⎢⎥==⎢⎥+⎢⎥⎣⎦∑是离子所带电荷 e 为元电荷1/21/20i i i 2i i 69kT T n e n ελ⎛⎫⎛⎫=≈ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭222Dei 111λλλ=+等离子体频率(临界频率)(无线电信号能垂直穿透电离层的最小频率)(等离子体内电子相对于离子的自然振动频率)(大气通信黑障)12pe f π==280.62pe e f n =(离子密度测量)特性: 频率大于pe f 的电磁波在等离子体内传播;小于等于pe f 的电磁波被反射。
三个层两个速度相速度1/2221p pe cv f f =⎛⎫- ⎪ ⎪⎝⎭超光速群速度1/2221pe g f v c f ⎛⎫=- ⎪ ⎪⎝⎭小于光速1.传播延迟240.31g gds ds t T E Cv ccf∆=-=⎰⎰实际路径几何路径群时延240.31g TEC r c t f∆=∆=距离误差eT E C nds≡⎰总电子含量(单位面积电子含量)应用:双信号测量:v t 真空传输时间gt 实际传输时间()()221,12,2,12221212212,2,2,122221240.3140.3140.31g g g g v g v g v f t f t t f f cf cf f t t t cf f f TEC t t TEC t TEC ⎧-⎧==+⎪⎪-⎪⎪⇒⎨⎨⎪⎪=+=-⎪⎪-⎩⎩若1f 2f 有一最大公约数f,即11f m f=,22f m f=则有221,12,22212g g v m tm tt m m-=-240.31p pds ds t v cTECcf∆=-=-⎰⎰实际路径几何路径相时延40.31iono p f t TECcfφ∆=∆≈-相位前移多普勒频移()40.31iono d d d d dt dt f f TEC fdtc cf dt cρφρ∆=+-=--∆ 应用:双信号测量:1111222240.3140.31r r d d dt TEC f f f cf dt c d d dt TEC f f f cf dt c ρρ⎧⎪--=-⎪⎪⎨⎪⎪--=-⎪⎩\12211222212211222140.311r r r r cf f f f f f d TEC dt f f f f f f d c dt f f ρ⎧⎛⎫-=⎪ ⎪-⎪⎝⎭⇒⎨⎛⎫-⎪=- ⎪⎪-⎝⎭⎩将11f m f=,22f m f=代入可得()221122211r r m f m f c m m f ρ⎛⎫- ⎪=- ⎪-⎝⎭一个旋转法拉第旋转→线性极化波圆极化波312||||22207.09108eee enB ds nB dsm cfcfφπε⨯≈≈⎰⎰法拉第应用:天线极化方向应与信号极化方向平行。
利用等离子体技术制备纳米材料纳米科技是一门新兴的领域,引发了人们广泛的关注。
纳米材料的制备是纳米科技发展的重要基础之一,而利用等离子体技术制备纳米材料成为了一种新的方法。
本文将探讨等离子体技术在纳米材料制备中的应用。
一、等离子体技术概述等离子体是一种具有高温高压等特殊物理性质的物质状态,是由电离气体中的电子和正离子构成的。
等离子体在工业、医学、航空航天等领域有着广泛的应用。
等离子体技术是一种利用等离子体的特殊性质进行材料制备、改性、清洗、表面处理等的技术。
二、等离子体技术制备纳米材料的优势与传统方法相比,等离子体技术制备纳米材料具有以下几个优势。
1. 高质量的纳米材料等离子体技术可以精确控制纳米级别的制备过程,从而获得高质量的纳米材料。
与一般化学方法相比,等离子体技术制备的纳米材料具有较小的粒径分布、较高的晶体度和较好的结晶度。
2. 纳米材料的制备速度较快等离子体技术的制备速度相对较快,几乎是瞬间完成的。
并且,等离子体技术不需要任何的模板,可以直接将材料制备为纳米级别。
3. 对材料的选择较为灵活在等离子体技术中,可以采用不同的气氛和等离子体进行制备,从而可以制备出各种不同种类的纳米材料。
三、等离子体技术在纳米材料制备中的应用等离子体技术广泛应用于各种不同类型的纳米材料的制备,例如二氧化钛、氧化铝、氧化硅等。
以下是几个典型例子介绍。
1. 制备纳米金属颗粒等离子体技术可以制备出各种金属材料的纳米颗粒,例如银、金、铜等。
可以采用不同气氛下制备不同大小和形态的金属纳米颗粒。
2. 制备纳米二氧化钛二氧化钛是一种广泛应用于光催化、传感器、光电器件等领域的纳米材料。
利用等离子体技术制备的纳米二氧化钛具有均一的粒径分布和优良的光电性能。
3. 制备纳米氧化铝氧化铝是一种应用广泛的功能性陶瓷材料。
等离子体技术制备的纳米氧化铝可以控制晶化度、形貌和尺寸,从而获得优良的性质。
四、挑战和展望虽然等离子体技术制备纳米材料具有许多优点,但同时也存在一些挑战。
等离子模块静电吸附模块一、等离子体概述等离子体是一种物质存在状态,处于等离子态的物质原子核和电子呈平衡状态,具有很高的活性。
等离子体在固体、液体和气体之间具有特殊的电学和化学性质。
在等离子体中,电子和离子的行为受到电磁力的影响,表现出高能态和高反应性的特点。
等离子体在许多领域都有广泛的应用,如工业制造、材料科学、生物医学等。
二、静电吸附技术介绍静电吸附技术是一种利用静电作用实现吸附的技术。
在静电吸附过程中,通过施加电场或静电荷,使目标物体带上相反的电荷,从而实现吸附。
静电吸附技术具有高吸附精度、高吸附强度和低能耗等优点,因此在许多领域得到广泛应用,如微电子、生物医学、环境治理等。
三、等离子模块与静电吸附模块的结合等离子模块和静电吸附模块的结合可以实现等离子体活性和静电吸附力的协同作用。
这种结合方式可以有效地提高吸附效率、降低能耗,同时能够满足各种复杂应用场景的需求。
在等离子模块中,通过产生等离子体来激活目标物体表面的活性,使其更容易被静电吸附模块吸附。
同时,静电吸附模块可以提供高吸附强度和高吸附精度的吸附效果。
四、等离子模块在静电吸附模块中的应用案例1.微电子制造:在微电子制造中,利用等离子模块和静电吸附模块的结合可以实现高效、低能耗的芯片封装和电路板制作。
在等离子体激活表面活性后,静电吸附技术可以将微小的电子元件精确地固定在预定位置。
2.生物医学工程:在生物医学工程中,利用等离子模块和静电吸附模块的结合可以实现生物细胞的分离、纯化和富集。
这种技术可以有效提高细胞分离效率,为生物医学研究提供有力的技术支持。
3.环境治理:在环境治理中,利用等离子模块和静电吸附模块的结合可以实现污染物的去除和废水的处理。
通过等离子体激活污染物的表面活性,静电吸附技术可以将污染物从溶液中分离出来,达到净化水质的目的。
五、等离子模块静电吸附模块的优缺点1.优点:等离子模块和静电吸附模块的结合具有高吸附精度、高吸附强度和低能耗等优点。
百科名片等离子体等离子体又叫做电浆,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。
目录概述高温等离子体低温等离子体等离子体原理等离子体的分类按等离子体焰温度按等离子体所处的状态低温等离子体的产生方法主要应用等离子体冶炼等离子体喷涂等离子体焊接等离子体刻蚀等离子体隐身等离子体核聚变等离子技术概述高温等离子体低温等离子体等离子体原理等离子体的分类按等离子体焰温度按等离子体所处的状态低温等离子体的产生方法主要应用等离子体冶炼等离子体喷涂等离子体焊接等离子体刻蚀等离子体隐身等离子体核聚变等离子技术展开编辑本段概述看似“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。
编辑本段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。
等离子体技术在材料表面改性中的应用研究随着人们对材料特性的要求越来越高,材料表面改性技术也越来越受到关注。
而等离子体技术作为一种高效、可控、环保的表面改性方法,近年来受到了广泛关注,并在材料表面改性中得到了广泛应用。
一、等离子体技术概述等离子体(plasma)是一种带电粒子和自由电子的气体状态,具有高能量和高反应活性。
等离子体技术是指利用等离子体对材料表面进行离子轰击、表面化学反应、离子注入等处理,从而改变材料表面特性的方法。
二、等离子体技术在材料表面改性中的应用2.1 表面清洗材料表面清洗是材料表面改性前必要的一步。
等离子体技术可用于表面清洗,其离子轰击能够有效地去除表面杂质和氧化物,提高表面纯度和清洁度。
2.2 表面硬化利用等离子体处理能够使材料表面硬度增加几倍甚至几十倍,提高材料的耐磨性和耐蚀性。
这是因为等离子体处理过程中产生的活性粒子高速撞击材料表面,使其表面发生塑性变形和冷变形,形成了高密度的晶界,进而提高了材料表面的硬度和强度。
2.3 表面涂层等离子体技术还可以应用于表面涂层。
利用等离子体处理可以改善物质的表面亲和力和等离子体处理过程中产生的活性粒子可用于表面化学反应,使得表面涂层更加牢固耐用。
2.4 表面改性等离子体技术还可用于材料表面的化学修饰,例如通过等离子体轰击和离子注入等方式,使得表面分子结构或化学结构发生变化,从而改变表面的性质和功能。
三、等离子体技术的优点和不足3.1 优点(1) 高效:等离子体技术处理速度快,一个相对较小的样品可以在几秒钟内得到处理;(2) 可控性强:可以调节等离子体的电场、功率、成分等参数,控制等离子体处理的深度、速度和质量;(3) 环保:等离子体技术不需要使用有机溶剂和腐蚀性酸碱等物质,对环境的污染小,有助于环保。
3.2 不足(1) 昂贵:等离子体处理设备的购买和维护成本较高;(2) 设备复杂性高:等离子体处理设备需要高压电源和气体供应等支持,对处理条件有较高的要求,操作难度较大。
等离子体物理学中的等离子体流体力学模型等离子体物理学是一门研究离子化气体、等离子体的运动、性质及其相互作用的学科。
而等离子体流体力学模型则是等离子体物理学中的一个重要分支,它描述了等离子体的运动行为以及相应的物理过程。
1. 等离子体概述等离子体是一种由电离粒子和电子组成的气体状态,它具有高温、高密度和高电离度等特征。
等离子体广泛存在于自然界中,如恒星、闪电和磁层等地方,也可通过人造设备如离子源产生。
2. 等离子体流体力学模型的发展等离子体流体力学模型的发展有赖于对等离子体物理性质的深入研究和对流体力学模型的改进。
最早的等离子体流体力学模型是基于流体力学方程进行推导的,但随着研究的深入,人们逐渐认识到等离子体具有更为复杂的性质,无法完全符合传统流体力学模型。
3. 多流体模型多流体模型是等离子体流体力学中常用的一种模型,它将等离子体分为不同组分,并建立了各组分之间的耦合关系。
这种模型在等离子体中考虑了离子、电子、中性粒子等的分布和相互作用,能够较好地描述等离子体的运动及其相关物理过程。
4. 磁流体力学模型在某些情况下,磁场对等离子体的运动具有重要影响,因此研究人员提出了磁流体力学模型,该模型在多流体模型的基础上考虑了磁场的作用。
磁流体力学模型在等离子体物理学的研究中具有重要应用,如等离子体在等离子体聚变领域的研究中起到了至关重要的作用。
5. 粒子模拟方法除了流体力学模型外,粒子模拟方法是等离子体流体力学研究中的另一种重要手段。
粒子模拟方法通过模拟等离子体中个体粒子的运动,从微观层面上揭示了等离子体的运动规律,可以更加准确地描述等离子体的特性。
6. 应用领域等离子体流体力学模型在众多领域中有广泛的应用,如等离子体聚变、等离子体推进技术、等离子体加工等。
通过对等离子体流体力学的研究,人们能够更好地理解等离子体的特性,以及应用于相关领域中的潜在机制和效应。
总结:等离子体流体力学模型是等离子体物理学中的一个重要分支,它描述了等离子体的运动行为及其相应的物理过程。
等离子体技术在材料加工中的应用等离子体技术是一种在高温和高能环境下处理材料的方法,它可以被广泛应用在材料加工领域。
本文将探讨等离子体技术在材料加工中的应用,并探索其对材料性能的影响。
I. 等离子体技术概述等离子体是一种高能量、高温的离子体,可以在空气或者其他介质中产生。
等离子体在电子、中性粒子和离子之间保持电中性,并具有高度活跃的特性。
通过激发等离子体可以产生高温和高能环境,这在材料加工中有着重要的应用。
II. 等离子体技术的加工方法等离子体技术主要有等离子体喷涂、等离子体切割和等离子体改性等多种加工方法。
这些方法将等离子体的高能量和高温特性应用于材料加工,实现了对材料的改善和加工。
1. 等离子体喷涂等离子体喷涂是一种将等离子体产生器喷射到材料表面的技术。
通过等离子体喷涂,材料表面可以形成一层密封的涂层,提高材料的耐磨性、耐腐蚀性和绝缘性能。
等离子体喷涂可以应用于航空航天、汽车制造和电子行业等多个领域,对提高材料的性能起到了重要作用。
2. 等离子体切割等离子体切割是一种通过等离子体的高能量进行材料切割的技术。
等离子体切割具有高效、精确和非接触的特点,可以用于金属、塑料和陶瓷等材料的切割。
与传统的机械切割方式相比,等离子体切割不会产生毛刺和变形现象,同时也没有物理拉伸和挤压,因此可以保持材料的原有性能,广泛应用于工业生产中。
3. 等离子体改性等离子体改性是一种在材料表面通过等离子体的处理来改变材料性能的方法。
等离子体通过产生高能粒子和射流作用于材料表面,使得材料表面发生化学和物理上的改变。
等离子体改性可以增加材料的附着力、表面硬度和耐磨性,同时也可以改善材料的导电性和导热性能。
通过等离子体改性,可以使材料在多个领域中得到广泛应用,如电子、光学和生物医学领域等。
III. 等离子体技术的优势和展望等离子体技术在材料加工中具有许多优势,如高效、精确和环保等。
与传统的加工方法相比,等离子体技术可以减少材料损耗,提高加工效率和质量。
物理实验技术中的等离子体测量与实验方法等离子体是由离子和自由电子组成的物质状态,是宇宙中最常见的物质形态之一。
等离子体的研究对于了解宇宙演化、太阳风、核聚变等具有重要意义。
在物理实验技术中,等离子体测量和实验方法的发展对于深入研究等离子体的性质和行为具有关键意义。
一、等离子体概述等离子体是一种带电气体,它的主要成分是电离的气体分子和自由电子。
等离子体通常呈现出高度非线性和非平衡的性质,其物理性质与普通气体等有很大不同。
等离子体在自然界中广泛存在,如闪电、太阳大气、星际空间等。
二、等离子体测量技术1. Langmuir探针Langmuir探针是一种常用的等离子体测量方法,其基本原理是利用探针表面上电流-电势特性的非线性关系来推断等离子体的电子密度、温度与电势等参数。
Langmuir探针具有简单、灵敏和广泛适用性的优点,广泛应用于等离子体诊断和实验研究中。
2.微波干涉测量法微波干涉测量法是一种非侵入性的等离子体测量技术,其原理是利用微波在等离子体中传播时的相位差来推断等离子体的折射率。
通过测量这种相位差的变化,可以获得等离子体的电子密度和电子温度等信息。
微波干涉测量法具有良好的时间和空间分辨率,对等离子体的测量具有重要意义。
三、等离子体实验方法1. 磁约束等离子体实验磁约束等离子体实验是一种常见的等离子体物理研究方法,通过在等离子体周围施加磁场,将等离子体束缚在磁场线上。
这种方法可以有效地防止等离子体与环境相互作用,实现对等离子体行为的准确观测。
2. 惯性约束聚变实验惯性约束聚变实验是一种利用高温等离子体进行核聚变研究的方法。
在实验中,通过激光或者加热等方法将等离子体加热到足够高温,使核融合反应发生。
通过观测等离子体的行为和反应过程,可以研究核聚变的可行性和产能等问题。
四、等离子体测量与实验的挑战与展望等离子体测量与实验面临着许多挑战,如等离子体的非线性行为、边界效应影响等。
随着科技的进步,研究人员在物理实验技术中不断创新,提出了许多新的测量与实验方法。
n2o等离子体摘要:1.N2O 等离子体的概述2.N2O 等离子体的产生方式3.N2O 等离子体的应用4.N2O 等离子体的环境和安全问题正文:一、N2O 等离子体的概述2O 等离子体,即一氧化二氮等离子体,是一种由一氧化二氮(N2O) 分子和电子组成的带电粒子群体。
在工业和科研领域中,N2O 等离子体被广泛应用于各种化学反应、材料表面处理和环境保护等技术中。
二、N2O 等离子体的产生方式2O 等离子体的产生主要依赖于高能电子或离子束的轰击。
当高能电子或离子束射向N2O 分子时,会从分子中剥离出电子,形成带正电荷的N2O 离子和自由电子,从而形成N2O 等离子体。
三、N2O 等离子体的应用1.化学反应:N2O 等离子体可以作为反应介质,参与各种化学反应,例如氧化还原反应、聚合反应等。
由于N2O 等离子体具有高的反应活性和选择性,因此可以提高反应的效率和选择性。
2.材料表面处理:N2O 等离子体可以用于材料表面的处理,例如清洗、去除氧化物、改善表面性能等。
N2O 等离子体的高活性和氧化性使其在材料表面处理中具有优异的表现。
3.环境保护:N2O 等离子体可以用于大气污染物的去除,例如去除一氧化碳、氮氧化物等。
N2O 等离子体可以与污染物分子发生反应,形成无害的物质,从而达到环境保护的目的。
四、N2O 等离子体的环境和安全问题虽然N2O 等离子体在工业和科研领域中具有广泛的应用,但是其对环境和人体健康的影响不容忽视。
N2O 等离子体可以与水反应生成硝酸,对环境和水体造成污染。
同时,N2O 等离子体具有氧化性,对人体健康也有一定的危害。
等离子体层高度-概述说明以及解释1.引言1.1 概述等离子体是一种高温、高能态的物质状态,具有独特的物理和化学性质。
等离子体层高度是描述等离子体所占据的空间范围的一个重要参数,它不仅在天体物理学、等离子体物理学等领域具有重要意义,还在工程技术、材料科学等方面有着广泛的应用。
本文将从等离子体层高度的定义、影响因素、应用等方面进行探讨,旨在深入了解等离子体层高度的重要性以及未来研究的方向。
1.2文章结构"1.2 文章结构":本文将首先介绍等离子体层高度的定义,包括其基本概念和特点。
接着会探讨影响等离子体层高度的因素,包括外部环境、相互作用和内在特性等方面。
然后将讨论等离子体层高度在各个领域的应用,如天文学、物理学和工程技术等。
最后,总结等离子体层高度的重要性,并展望其未来的研究方向与发展趋势,最终得出结论。
通过以上结构,文章将全面深入地探讨等离子体层高度的相关内容,为读者提供全面而详实的信息。
1.3 目的本文的目的是探讨等离子体层高度在科学研究和工程应用中的重要性和意义。
通过深入分析等离子体层高度的定义、影响因素和应用,我们可以更好地理解等离子体的特性和行为,为相关领域的研究和应用提供理论支持和参考。
同时,通过总结等离子体层高度的重要性和展望未来研究方向,有助于推动等离子体科学和技术的发展,促进其在新能源、材料加工、环境治理等领域的应用和创新。
本文旨在为读者提供关于等离子体层高度的全面了解和启发,促进相关研究和应用的进一步发展。
2.正文2.1 等离子体层高度的定义等离子体层高度是指等离子体在特定条件下形成的高度范围。
在等离子体物理学中,等离子体是由电离的气体分子和自由电子组成的第四态物质,具有高温、高能量的特性。
等离子体层高度的定义涉及到等离子体在空间中的分布情况和高度范围。
等离子体层高度的定义可以根据不同的物理条件和环境进行划分,例如地球大气中的等离子体层高度可以按照不同的高度范围进行分类,如电离层、等离子体团队等。
等离子体概念及应用特点>1、什么是等离子体等离子体和固体、液体或气体一样,是物质的一种状态。
对气体施加足够的能量使之部分离化便成为物质的第四态——等离子体。
等离子体指部分或完全电离的气体,且自由电子和离子所带正、负电荷的总和完全抵消,宏观上呈现中性电。
等离子体又叫做电浆,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,常被视为是除去固相、液相、气相外,物质存在的第四态。
看似“神秘”的等离子体,其实是宇宙中一种常见的物质,在太阳、恒星、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。
等离子体可分为两种:高温和低温等离子体。
低温等离子体的电子温度远高于离子温度,离子温度甚至可与室温相当。
所以低温等离子体是非热平衡等离子体,低温等离子体中存在着大量的、种类繁多的活性粒子,比通常的化学反应所产生的活性粒子种类更多、活性更强,更易于和所接触的材料表面发生反应,因此它们被用来对材料表面进行改性处理。
现在低温等离子体表面处理广泛运用于金属、微电子、聚合物、生物功能材料、低温灭菌及污染治理等多种领域。
与传统的方法相比,等离子体表面处理具有成本低、无废弃物、无污染等显著的优点,同时可以得到传统的化学方法难以达到的处理效果。
2、等离子体表面处理的优点与传统的工艺相比较,等离子体技术应用的优点包括:1、不会改变基体固有性能,改性作用仅仅发生在表面,约几到几十个纳米。
2、全程干躁的处理方式,无需溶解剂和水,不产生污染,因而节约能源,降低成本。
3、作用时间短,反应速率高,加工对象广,能显著提高产品质量。
4、工艺简单、操作方便,生产可控性强,产品一致性好。
5、属于健康型工艺,对操作人员身体无害。
等离子清洗原理的概述>等离子体是物质的一种存在状态,通常物质以固态、液态、气态三种状态存在,但在一些特殊的情况下有第四中状态存在,如地球大气中电离层中的物质。
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32
E kT =。
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e T 、i T 、n T 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E T (eV )表示等离子体的温度,E T 的单位是能量单位,由粒子的动能公式可得
2133222
E E mv kT T ===,E T 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1T k
==11600K )。
温度是描述等离子体能量的,还有其它的一些概念来表述。
(1)高温等离子体,低温等离子体,冷等离子体。
高温等离子体也是完全电离体,温度68
10~10K ,核反应、恒星的等离子体是这类。
低温等离子体是部分电离体,
463410~10,310~310e i T K T K ==⨯⨯,电弧等离子体、燃烧等离子体是这种。
冷等离子体是410,e i T K T >约等于室温的等离子体。
(2)电离度。
强电离等离子体指电离度η>10-4的等离子体,弱电离等离子体η<10-4。
η是电离度,0=n n n
η+,n 是两种异电荷粒子中任何一种密度,0n 为中性粒子密度。
粒子密度是表示单位体积中所含粒子的数目。
(3)稠密等离子体和稀薄等离子体。
具体区分度不详。
二、等离子体特性
1.电中性:等离子体整体表现是电中性,但由于某种扰动或其它原因,在局部空间有可能出现离子过剩或电子的偏少,相应的,另一空间出现离子偏少和电子过剩。
过剩电子的区域中的电子会有强烈的向电子偏少区域运动的特性,恢复等离子体的电荷分离,因此等离子体具有强烈的维持电中性的特性。
但是粒子是处在运动中的,因此,在某一有限小的区域内,电中性是可以不存在的。
2.德拜屏蔽长度:为了描述等离子体内电荷分离的最大线性尺度,它指的是等离子体能够保持电中性的区域范围。
在德拜球范围内,电中性是不保证的,即球内不能称为等离子体,只能是电离气体。
因此,德拜长度是电离气体电中性空间的临界线度的判据。
等离子体内带电粒子浓度越大,电子温度越低,德拜长度就越小,非电中性被限制在较小的范围内。
3.等离子体(振荡)频率:首先要知道为什么等离子体会振荡,设想等离子体内离子是均匀分布的,由于某种扰动,电子偏离平衡位置,局部出现了电荷过剩,电中性受到了破坏。
显然,这些过剩的电子产生的电场,使电子向平衡位置运动,从而使电子过剩很快消失,由于惯性作用,电子到达平衡位置不可能立即静止而是继续运动,从而使平衡位置的另一端出现了电子过剩,同样形成电场,又把外面的电子拉回来。
这样,相当数量的电子以正电荷为平衡位置产生集体振荡,这种振荡现象成为等离子体的静电振荡,它的频率称为等离子体频率。
8.910f =⨯
4.导电性和介电性:等离子体能同时表现出导电性和介电性。
在弱电离情况下,带电粒子主要与中性粒子碰撞,直流电导率一般较大,类似金属中电子的自由运动。
如果把等离子体置于交变电场中,如电磁场,此时无界的等离子体就像各向异性的电介质,在平行和垂直于磁场传播方向上有不同的介电常数。
5.等离子体的“鞘”:当等离子体与容器壁接触时,在两者的交界处形成一层负电位的薄层,它把等离子体包围起来,通常称为等离子体的“鞘”。
“鞘”是如何产生的呢?等离子体内的粒子都处于热运动状态,在等离子体热平衡状态下(即e i T T T ==),可以认为电子的平均动能和离子平均动能相同,但是由于电子质量小得多,因此e i v v >>,当等离子体与容器壁相接触时,一开始到达器壁表面的电子数目远远超过离子数目,固体壁积聚负电荷,由此产生负电位阻止电子向器壁运动,而吸引离子向器壁运动,电子逐渐减少,离子逐渐增加,最后达到平衡,使固体器壁的负电位数值不再改变,这样就形成了一层负电位的等离子体“鞘”。
它把固体器壁与等离子体隔开,并把等离子体包围起来。
电子要从等离子到达器壁,必须要克服由“鞘”所形成的势垒。
“鞘”的宽度一般在拜德屏蔽长度级别。
6.等离子体的磁约束:带电粒子在恒稳磁场中的运动受到洛伦兹力作用,通过受力分析可以得到带电粒子总的运动轨迹是以磁力线为轴的螺旋线。
回旋运动中心沿磁力线作匀速运动。
对于高温等离子体来说,任何固体容器都难以承受,因此,必须采用强磁场约束等离子体,这是的外磁场称为“磁壁”。
三、等离子体的辐射
等离子体都是发光的,不仅包含可见光,还可以发出紫外光,甚至X 射线。
等离子体发生辐射的方式有很多种:
1. 激发辐射。
主要发生在粒子密度很低的冷等离子体中,当粒子能量小于几个电子
伏时,主要产生激发辐射。
常见的日光灯、霓虹灯等都是这种冷等离子体辐射。
它主要是核外电子从较高能级向较低能级的跃迁。
原子或离子都可以发光,主要
靠的是电子的碰撞激发,电子的碰撞几率和电子的能量有关。
对应于一定电子温度的某些特定能级的相应激发几率最大,产生的谱线最强。
在低气压放电的冷等离子体中,粒子的激发辐射可看成是孤立原子或离子产生的辐射,谱线宽度很窄,等于谱线的自然宽度。
当在高气压放电的电弧等离子体中,辐射谱线波长变短,谱线也会丰富很多。
当电子温度T e达到10eV时,几乎所有的原子都电离,多电子的原子发生二次或多次电离,使核电荷屏蔽减少,束缚态之间能级差更大,辐射谱线波长更短,甚至发射X射线。
当温度更高时,所有的核外电子都被剥离,离子变成裸核,于是激发辐射消失。
2.复合辐射。
自由电子和离子的复合有两种状况,一是自由电子被n次电离的原子
俘获,俘获了电子的离子跃迁到(n-1)次电离原子的束缚态,被俘获的电子的多余能量以及原子的电离能以光子的形式发射出来;二是两个自由电子同时与一个离子相碰,则一个电子被俘获,而另一个电子带走多余能量,这个电子仍然是自由电子,并不产生辐射,随着等离子体密度的增大,这种三体复合发生的几率比复合辐射更大。
需要说明的是,由于自由电子的动能有一定的连续分布,且不同能量的电子所对应的俘获截面也不同,因此,自由电子被俘获后失去的能量是一个连续谱。
3.轫致辐射。
在无磁场等离子体中,自由电子在原子核电场作用下产生电子-原子
核库伦碰撞,使自由电子跃迁到能量较低的另一自由态。
碰撞过程中,电子减速,将一部分能量或动量传递给原子核,把多余的能量以光子形式辐射出去。
这种由减速电子所发射的辐射,称为轫致辐射。
由于电子碰撞前后都是自由度,也称为自由-自由跃迁。
由于电子的能量具有任意性,故轫致辐射产生连续光谱。
一般而言,轫致辐射出现在紫外到X射线范围。
4.回旋辐射。
在磁场中围绕磁力线作回旋运动的带电粒子发出的辐射,称为回旋辐
射或磁轫致辐射。
一般只考虑电子的回旋辐射,电子质量小,回旋加速度大,辐射强度大。
它也是一种连续辐射。