用FDTD法分析冷等离子体模型左手材料填充对同轴线截止特性的影响

第二篇 材料的物性 8.理解物性的基本概念1.波粒二象性：波粒二象性（wave-particle duality ）指的是所有的基本粒子或量子不仅可以部分地以粒子的术语来描述，也可以部分地用波的术语来描述。

2.常规情况下，有两类决定材料物性的主导因素：一类是原子系统，通常作为经典粒子处理，反映了位置序或粒子序(性)的效应；另一类是电子系统，通常表现出明显的量子力学特征，反映了动量序或德布罗意波序(性)的效应。

3.经典电导理论和量子力学理论的区别1. 经典电导理论认为在外电场的作用下所有的自由电子都对电流有贡献；而量子力学理论认为只有费米能级附近的电子才对电流有贡献。

2. 根据量子力学理论，在理想周期性排列的晶格对能带中，电子的能量状态形成能带，能带之间是禁带，能带中的电子可以在晶格中自由运动，因此理想周期性排列的晶格对能带中电子没有散射作用，这是与经典电导理论不相同的。

4.金属自由电子理论：金属的高导电性是由于那些处于紧靠费米能的半占有状态上的电子漂移形成(外加电压对大多数电子不产生净效应，因为它们可能跃迁到的较高能态均已被填满)。

金属的功函数是从高的占有能级上取出一个电子所需的能量，在绝对零度时，即为费米能。

在室温，只有很少的一些电子被激发到高于费米能，因此功函数在一个宽的温度范围内几乎是恒定的。

自由电子理论能满意地解释绝大多数金属的导电性，但不能正确解释绝缘体。

5.能带的概念：能带理论就是认为晶体中的电子是在整个晶体内运动的共有化电子，并且共有化电子是在晶体周期性的势场中运动；结果得到：共有化电子的本征态波函数是Bloch 函数形式，能量是由准连续能级构成的许多能带。

固体的导电性能由其能带结构决定。

对一价金属，价带是未满带，故能导电。

对二价金属，价带是满带，但禁带宽度为零，价带与较高的空带相交叠，满带中的电子能占据空带，因而也能导电，绝缘体和半导体的能带结构相似，价带为满带，价带与空带间存在禁带。

等离子体物理的练习题解析与答疑详解及解题思路等离子体物理领域是物理学中的一个重要分支，研究等离子体的特性和行为对于解决许多实际问题具有重要意义。

在学习等离子体物理的过程中，练习题的解析和答疑是学习的重要环节。

本文将对一些等离子体物理的练习题进行解析，并给出详细的答疑和解题思路。

练习题1：题目：在等离子体物理中，什么是等离子体的自洽性条件？请详细解释。

解析：等离子体的自洽性条件是指等离子体系统中的等离子体粒子数密度、电荷密度、电势等物理量之间满足的一组方程。

这组方程描述了等离子体系统内部的平衡状态，是等离子体物理的基本定律。

在等离子体中，粒子的数密度$n$、电荷密度$\rho$以及电势$\phi$之间的关系由泊松方程和泊松-泊尔兹曼方程描述：泊松方程：$\nabla^2 \phi = -\frac{\rho}{\epsilon_0}$泊松-泊尔兹曼方程：$-\nabla \cdot (n \nabla \phi) =\frac{d}{dt}(nq\vec{u})+S$其中，$\nabla^2$表示拉普拉斯算子，$\epsilon_0$为真空介电常数，$q$为粒子电荷，$\vec{u}$为粒子流速，$S$为粒子源项。

通过求解泊松方程和泊松-泊尔兹曼方程，可以得到等离子体系统内部的粒子分布、电势分布等信息，从而揭示等离子体物理的特性和行为。

答疑：自洽性条件的主要作用是确定等离子体内部的平衡状态。

在求解自洽性条件的过程中，一般需要考虑等离子体系统内的各种物理过程，如粒子的输运、碰撞等，以及相应的边界条件。

解题时需要注意将方程化简，并根据具体问题给出合适的边界条件。

练习题2：题目：请简述等离子体的电磁波传播特性。

解析：等离子体中的电磁波传播特性与其他介质有很大的不同。

在等离子体中，电磁波可以激发和传播的模式主要包括等离子体波、电磁波、电子波、离子波等。

等离子体波是一种特殊的波模式，在等离子体内部传播，并且与等离子体粒子的运动耦合在一起。

微波等离子体●微波等离子体反应器特点：微波：为交流能量（信号），通过波导传输，每一种波导具有一定的特征阻抗（射频传输线理论）等离子体的反应器：本质上是具有一定阻抗的负载。

微波等离子体工作要求：波导特征阻抗=等离子体负载阻抗。

微波反射波能量将至最低。

●微波等离子体反应器发展：小尺寸共振腔---->表面波长细等离子体--->大面积（体积）表面波等离子体。

●微波等离子体反应器结构：⊙单模谐振腔谐振腔尺寸: λλ=R,（谐振条件）=d阻抗匹配: 好，可以不设置附加匹配。

激励电场单模（单一本征模）方向：图中电场沿轴向。

状态：驻波缺点：体积小（？）电场不均匀-----〉等离子体空间均匀性差。

应用：放电灯，光谱分析。

⊙多模腔谐振腔尺寸: λλ>>R;（非谐振）>>d阻抗匹配: 差，需要附加匹配。

优点：电场较均匀-----〉等离子体空间均匀性好。

⊙表面波等离子体（surface microwave plasma,SWP）源尺寸: λ=R（谐振条件），轴向尺寸没有限制阻抗匹配: 需要设置附加匹配。

激励电场单模或多模（单一本征模）状态：行波优点：大体积，细长缺点：面积小应用：气体反应（甲烷--->乙炔），有害气体处理侧视图多管SWP 源大面积/体积SWP源两种方式：（a）顶面馈入;(b)侧面馈入三种典型装置：（a）日本平面狭缝（顶面）耦合；(b) 德国环状狭缝（侧面）耦合；（c）法国改进型表面波导（侧面）耦合美国：中国（中国科大、合肥等离子体物理所----> 德国版） 日本顶面狭缝（重点）（1）两种加热模式bulk heating: 整体加热 surface heating:表面加热 分界点：电子等离子体波f f =截止n n =○不同加热模式下等离子体参数轴向分布不同加热模式的电子加热机理截止密度点(共振点)处的特性及验证预测：实验验证：装置ICP 等离子体密度轴向分布不同功率下的微波轴向分布共振点附近的等离子体密度和电子温度（2）不同的微波模式 无限大平面波2/1ε=n1122<-=ωωεppd p εε<等离子体相对于石英而言为光疏媒质，微波由石英窗口向等离子体传播时： （i ）反射+折射(ii) 全反射---> 实际情况：微波在光疏媒质中指数衰减。