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低溫等離子體診斷原理與技術(shù) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030554758
- 條形碼：9787030554758 ; 978-7-03-055475-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
低溫等離子體診斷原理與技術(shù) 內(nèi)容簡介
本書較全面地介紹了低溫等離子體診斷技術(shù)的基礎知識，總結(jié)了近年來該領(lǐng)域的一些新進展，提供了低溫等離子體診斷技術(shù)應用的實例。全書共9章。章至第3章主要介紹了等離子體的基本概念與性質(zhì)，低溫等離子體的產(chǎn)生方法和等離子體中的基本化學過程。第4章講述低溫等離子體的探針診斷技術(shù)。第5章講述低溫等離子體的光譜診斷技術(shù)。第6章講述低溫等離子體的質(zhì)譜診斷技術(shù)。第7章講述低溫等離子體中離子能量的診斷技術(shù)。第8章介紹了低溫等離子體的波干涉診斷技術(shù)。第9章講述低溫等離子體放電的電性能測量技術(shù)。很后，作為附錄，作者收集整理了部分原子、分子、離子發(fā)光的特征光譜譜線，以供讀者在相關(guān)研究工作中參考。
低溫等離子體診斷原理與技術(shù) 目錄
目錄
前言
第1章等離子體基本概念和性質(zhì)1
1.1等離子體概念1
1.1.1等離子體的定義與產(chǎn)生1
1.1.2等離子體的分類2
1.2等離子體的導電性與準電中性4
1.2.1等離子體的導電性4
1.2.2等離子體的準電中性4
1.3等離子體鞘層5
1.4等離子體的基本參量7
1.4.1等高子體密度與電離度7
1.4.2等離子體溫度與能量分布函教8
1.4.3德拜長度10
1.4.4等離子體頻率11
1.4.5等離子體的時空特征量12
1.5等離子體中帶電粒子的擴散12
1.6低溫等高子體診斷方法概述15
參考文獻16
第2章氣體放電等離子體基礎18
2.1直流放電18
2.1.1直流放電基本過程18
2.1.2帕邢定律20
2.1.3直流輝光放電特性21
2.2射頻放電22
2.2.1射頻放電基本過程22
2.2.2射頻等離子體中的自偏壓24
2.2.3射頻放電的產(chǎn)生方法27
2.3波加熱放電31
2.3.1微波放電31
2.3.2微波電子回旋共振放電31
2.3.3螺旋波放電35
2.4磁控放電40
2.4.1磁控放電基本過程10
2.4.2磁控放電技術(shù)41
2.5介質(zhì)阻擋放電47
2.5.1介質(zhì)阻擋放電基本過程47
2.5.2介質(zhì)阻擋放電技術(shù)48
參考文獻51
第3章等離子體化學基礎54
3.1化學反應的表征54
3.2等離子體中的化學反應55
3.2.1同相反應55
3.2.2異相反應66
3.3化學反應鏈67
3.4等離子體與表面相互作用68
3.4.1等離子體與固體表面的作用69
3.4.2離子和電子誘導的表面化學反應71
3.4.3能量傳遞72
3.4.4薄膜沉積與性能調(diào)控73
3.4.5刻蝕與等離子體誘導損傷73
參考文獻74
第4章低溫等離子體的探針診斷75
4.1朗繆爾探針診斷的基本方法75
4.1.1朗繆爾探針的結(jié)構(gòu)與工作電路75
4.1.2朗繆爾探針的電流-電壓特性78
4.1.3從探針I(yè)V特性曲線獲取等離子體參數(shù)79
4.1.4雙探針技術(shù)80
4.1.5探針診斷的條件、優(yōu)點與缺點82
4.2朗繆爾探針的基本理論82
4.2.1無碰撞鞘層82
4.2.2平面探針83
4.2.3圓柱形探針84
4.3探針診斷的誤差分析與數(shù)據(jù)處理88
4.3.1探針測量誤差的估算88
4.3.2探針測量誤差的主要來源89
4.3.3探針I(yè)-V特性的二次微分方法91
4.4朗繆爾探針診斷方法的空間和時間分辨率93
4.4.1朗繆爾探針診斷方法的空間分辨率93
4.4.2朗繆爾探針診斷方法的時間分辨率94
4.5非麥克斯韋分布的探針理論95
4.6各向異性等離子體的探針診晰97
4.7磁化等離子體中的朗繆爾探針99
4.7.1磁場的影響99
4.7.2磁化等離子體中的探針理論101
4.7.3磁化等離子體中的探針測量103
4.8射頻與甚高頻等離子體中的朗繆爾探針104
4.8.1射頻等離子體中的探針特性104
4.8.2射頻補償方法104
4.8.3無補償?shù)臏y量條件111
4.8.4射頻補償對電子能量分布函數(shù)測量的影響113
4.8.5甚高頻放電等離子體的探針診斷114
4.9脈沖等離子體的探針診斷117
4.9.1脈沖磁控放電等離子體的探針診斷117
4.9.2脈沖激光等離子體的探針診斷120
4.10化學活性等離子體的探針診斷122
4.10.1化學活性等離子體中的探針污染122
4.10.2發(fā)射探針技術(shù)123
4.10.3電容耦合探針技術(shù)125
4.10.4懸浮探針技術(shù)126
4.10.5三探針技術(shù)130
4.10.6射頻阻抗探針和等離子體振蕩探針技術(shù)132
4.10.7熱探針技術(shù)133
4.10.8探針表面的清洗方法136
4.11電負性等離子體的探針診斷137
4.11.1I-V特性與二階導數(shù)報合法137
4.11.2I-V特性直接分析法139
4.12塵埃等離子體的探針診斷141
4.12.1探針機械屏蔽法142
4.12.2復合探針電壓掃描法143
4.13大氣壓放電等離子體的探針診斷145
4.18.1掃描朗繆爾探針系統(tǒng)146
4.13.2高壓非局域熱平街等離子體柱狀探針離子飽和電流模型147
4.14電磁探針技術(shù)151
4.14.1礁探針151
4.14.2射頻電流探針152
參考文獻153
第5章低溫等離子體的光譜診斷156
5.1等離子體光語的產(chǎn)生機理156
5.2發(fā)射光譜159
5.2.1等離子體發(fā)射光諧的諾特性159
5.2.2發(fā)射光譜診斷的實驗裝量163
5.2.3發(fā)射光譜方法的優(yōu)點與缺點167
5.3發(fā)射光譜的光化線強度測定法167
5.4等離子體溫度的光譜測量171
5.4.1惰性示蹤氣體發(fā)射光譜法測量電子溫度171
5.4.2光強比值法測量電子溫度174
5.4.3發(fā)射光譜法測量分子轉(zhuǎn)動溫度、振動溫度177
5.5吸收光譜182
5.5.1吸收光譜原理182
5.5.2吸收光譜實驗裝置183
5.6景光誘導熒光光譜185
5.6.1激光誘導熒光原理186
5.6.2激光誘導熒光光譜的實驗裝置187
5.6.3激光誘導熒光光譜方法的優(yōu)點與缺點189
5.6.4激光誘導熒光技術(shù)測量放電等離子體中的原子密度190
5.7光腔衰蕩光譜192
5.7.1光腔衰落光譜原理192
5.7.2光腔衰蕩光譜實驗裝置194
5.7.3光腔衰落光譜實驗數(shù)據(jù)的獲得195
5.8等離子體材料加工的光譜診斷196
5.8.1薄膜生長機制分析198
5.8.2基團的形成診斷與密度測量203
5.8.3薄膜沉積過程監(jiān)測210
5.9等離子體刻蝕的光譜診斷210
5.9.1等離子體刻蝕過程的終點檢測210
5.9.2等離子體刻蝕機理分析213
5.10大氣壓放電等離子體的光譜診時216
5.10.1大氣壓放電等離子體的光譜診斷概述216
5.10.2大氣壓放電等離子體的電子密度測量218
參考文獻221
第6章低溫等離子體的質(zhì)譜診斷229
6.1質(zhì)譜診斷的基本原理229
6.2四極質(zhì)譜儀233
6.2.1四極質(zhì)譜儀的組成與工作原理234
6.2.2四極質(zhì)譜僅的分辨率237
6.2.3四極質(zhì)譜儀的標定238
6.2.4四極質(zhì)譜儀的優(yōu)點與缺點238
6.2.5實用四極質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)與性能239
6.3飛行時間質(zhì)譜儀241
6.4磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜儀243
6.5質(zhì)譜儀與等離子體系統(tǒng)的連接244
6.5.1機械連接245
6.5.2電連接247
6.6質(zhì)譜數(shù)據(jù)的表示方法249
6.6.1質(zhì)譜數(shù)據(jù)的表示249
6.6.2圖形系數(shù)250
6.7中性氣體的質(zhì)譜分析251
6.7.1中性氣體的四極質(zhì)譜分析技術(shù)251
6.7.2中性氣體質(zhì)譜的成分識別252
6.7.3中性氣體質(zhì)譜的相對濃度測定253
6.8離子的質(zhì)譜分析254
6.8.1離子的四極質(zhì)譜分析技術(shù)255
6.8.2離子密度與離子能量分布的確定255
6.8.3等離子體的離子質(zhì)譜分析257
6.9用質(zhì)譜確定等離子體物理基本數(shù)據(jù)259
6.10低溫等離子體的質(zhì)譜診斷應用260
6.10.1四極質(zhì)譜在放電等離子體中的應用260
6.10.2雙聚焦礁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜在放電等離子體中的應用272
6.10.8飛行時間質(zhì)譜在放電等高子體中的應用275
參考文獻278
第7章低溫等離子體離子能量的診斷281
7.1拒斥場能量分析技術(shù)281
7.1.1基本原理281
7.1.2測試技術(shù)282
7.2離子的速度與能量分布283
7.3離子能量分布特性284
7.4拒斥場離子能量分析技術(shù)應用286
7.4.1雙頻雙靶磁控濺射的離子能量診斷286
7.4.2Ag薄膜初始生長的高子能量關(guān)聯(lián)分析292
7.5能量分鐘的質(zhì)譜分析技術(shù)294
參考文獻296
第8章低溫等離子體的波干涉診斷298
8.1微波干涉法298
8.2傳輸線微波干涉法303
8.3激光干涉法308
8.4激光雙色干涉法310
參考文獻312
第9章放電等離子體阻抗分析技術(shù)314
9.1放電等離子體阻抗分析的理論基礎314
9.2放電等離子體阻抗分析射頻V-I探針技術(shù)316
9.3放電等離子體阻抗分析的應用318
9.3.1在磁控放電鞘層研究中的應用318
9.3.2在射頻、甚高頻放電特性研究中的應用319
9.3.3在等離子體刻蝕中的應用321
9.3.4放電等離子體化學分析324
參考文獻326
附錄328
參考文獻337
前言
第1章等離子體基本概念和性質(zhì)1
1.1等離子體概念1
1.1.1等離子體的定義與產(chǎn)生1
1.1.2等離子體的分類2
1.2等離子體的導電性與準電中性4
1.2.1等離子體的導電性4
1.2.2等離子體的準電中性4
1.3等離子體鞘層5
1.4等離子體的基本參量7
1.4.1等高子體密度與電離度7
1.4.2等離子體溫度與能量分布函教8
1.4.3德拜長度10
1.4.4等離子體頻率11
1.4.5等離子體的時空特征量12
1.5等離子體中帶電粒子的擴散12
1.6低溫等高子體診斷方法概述15
參考文獻16
第2章氣體放電等離子體基礎18
2.1直流放電18
2.1.1直流放電基本過程18
2.1.2帕邢定律20
2.1.3直流輝光放電特性21
2.2射頻放電22
2.2.1射頻放電基本過程22
2.2.2射頻等離子體中的自偏壓24
2.2.3射頻放電的產(chǎn)生方法27
2.3波加熱放電31
2.3.1微波放電31
2.3.2微波電子回旋共振放電31
2.3.3螺旋波放電35
2.4磁控放電40
2.4.1磁控放電基本過程10
2.4.2磁控放電技術(shù)41
2.5介質(zhì)阻擋放電47
2.5.1介質(zhì)阻擋放電基本過程47
2.5.2介質(zhì)阻擋放電技術(shù)48
參考文獻51
第3章等離子體化學基礎54
3.1化學反應的表征54
3.2等離子體中的化學反應55
3.2.1同相反應55
3.2.2異相反應66
3.3化學反應鏈67
3.4等離子體與表面相互作用68
3.4.1等離子體與固體表面的作用69
3.4.2離子和電子誘導的表面化學反應71
3.4.3能量傳遞72
3.4.4薄膜沉積與性能調(diào)控73
3.4.5刻蝕與等離子體誘導損傷73
參考文獻74
第4章低溫等離子體的探針診斷75
4.1朗繆爾探針診斷的基本方法75
4.1.1朗繆爾探針的結(jié)構(gòu)與工作電路75
4.1.2朗繆爾探針的電流-電壓特性78
4.1.3從探針I(yè)V特性曲線獲取等離子體參數(shù)79
4.1.4雙探針技術(shù)80
4.1.5探針診斷的條件、優(yōu)點與缺點82
4.2朗繆爾探針的基本理論82
4.2.1無碰撞鞘層82
4.2.2平面探針83
4.2.3圓柱形探針84
4.3探針診斷的誤差分析與數(shù)據(jù)處理88
4.3.1探針測量誤差的估算88
4.3.2探針測量誤差的主要來源89
4.3.3探針I(yè)-V特性的二次微分方法91
4.4朗繆爾探針診斷方法的空間和時間分辨率93
4.4.1朗繆爾探針診斷方法的空間分辨率93
4.4.2朗繆爾探針診斷方法的時間分辨率94
4.5非麥克斯韋分布的探針理論95
4.6各向異性等離子體的探針診晰97
4.7磁化等離子體中的朗繆爾探針99
4.7.1磁場的影響99
4.7.2磁化等離子體中的探針理論101
4.7.3磁化等離子體中的探針測量103
4.8射頻與甚高頻等離子體中的朗繆爾探針104
4.8.1射頻等離子體中的探針特性104
4.8.2射頻補償方法104
4.8.3無補償?shù)臏y量條件111
4.8.4射頻補償對電子能量分布函數(shù)測量的影響113
4.8.5甚高頻放電等離子體的探針診斷114
4.9脈沖等離子體的探針診斷117
4.9.1脈沖磁控放電等離子體的探針診斷117
4.9.2脈沖激光等離子體的探針診斷120
4.10化學活性等離子體的探針診斷122
4.10.1化學活性等離子體中的探針污染122
4.10.2發(fā)射探針技術(shù)123
4.10.3電容耦合探針技術(shù)125
4.10.4懸浮探針技術(shù)126
4.10.5三探針技術(shù)130
4.10.6射頻阻抗探針和等離子體振蕩探針技術(shù)132
4.10.7熱探針技術(shù)133
4.10.8探針表面的清洗方法136
4.11電負性等離子體的探針診斷137
4.11.1I-V特性與二階導數(shù)報合法137
4.11.2I-V特性直接分析法139
4.12塵埃等離子體的探針診斷141
4.12.1探針機械屏蔽法142
4.12.2復合探針電壓掃描法143
4.13大氣壓放電等離子體的探針診斷145
4.18.1掃描朗繆爾探針系統(tǒng)146
4.13.2高壓非局域熱平街等離子體柱狀探針離子飽和電流模型147
4.14電磁探針技術(shù)151
4.14.1礁探針151
4.14.2射頻電流探針152
參考文獻153
第5章低溫等離子體的光譜診斷156
5.1等離子體光語的產(chǎn)生機理156
5.2發(fā)射光譜159
5.2.1等離子體發(fā)射光諧的諾特性159
5.2.2發(fā)射光譜診斷的實驗裝量163
5.2.3發(fā)射光譜方法的優(yōu)點與缺點167
5.3發(fā)射光譜的光化線強度測定法167
5.4等離子體溫度的光譜測量171
5.4.1惰性示蹤氣體發(fā)射光譜法測量電子溫度171
5.4.2光強比值法測量電子溫度174
5.4.3發(fā)射光譜法測量分子轉(zhuǎn)動溫度、振動溫度177
5.5吸收光譜182
5.5.1吸收光譜原理182
5.5.2吸收光譜實驗裝置183
5.6景光誘導熒光光譜185
5.6.1激光誘導熒光原理186
5.6.2激光誘導熒光光譜的實驗裝置187
5.6.3激光誘導熒光光譜方法的優(yōu)點與缺點189
5.6.4激光誘導熒光技術(shù)測量放電等離子體中的原子密度190
5.7光腔衰蕩光譜192
5.7.1光腔衰落光譜原理192
5.7.2光腔衰蕩光譜實驗裝置194
5.7.3光腔衰落光譜實驗數(shù)據(jù)的獲得195
5.8等離子體材料加工的光譜診斷196
5.8.1薄膜生長機制分析198
5.8.2基團的形成診斷與密度測量203
5.8.3薄膜沉積過程監(jiān)測210
5.9等離子體刻蝕的光譜診斷210
5.9.1等離子體刻蝕過程的終點檢測210
5.9.2等離子體刻蝕機理分析213
5.10大氣壓放電等離子體的光譜診時216
5.10.1大氣壓放電等離子體的光譜診斷概述216
5.10.2大氣壓放電等離子體的電子密度測量218
參考文獻221
第6章低溫等離子體的質(zhì)譜診斷229
6.1質(zhì)譜診斷的基本原理229
6.2四極質(zhì)譜儀233
6.2.1四極質(zhì)譜儀的組成與工作原理234
6.2.2四極質(zhì)譜僅的分辨率237
6.2.3四極質(zhì)譜儀的標定238
6.2.4四極質(zhì)譜儀的優(yōu)點與缺點238
6.2.5實用四極質(zhì)譜儀的結(jié)構(gòu)與性能239
6.3飛行時間質(zhì)譜儀241
6.4磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜儀243
6.5質(zhì)譜儀與等離子體系統(tǒng)的連接244
6.5.1機械連接245
6.5.2電連接247
6.6質(zhì)譜數(shù)據(jù)的表示方法249
6.6.1質(zhì)譜數(shù)據(jù)的表示249
6.6.2圖形系數(shù)250
6.7中性氣體的質(zhì)譜分析251
6.7.1中性氣體的四極質(zhì)譜分析技術(shù)251
6.7.2中性氣體質(zhì)譜的成分識別252
6.7.3中性氣體質(zhì)譜的相對濃度測定253
6.8離子的質(zhì)譜分析254
6.8.1離子的四極質(zhì)譜分析技術(shù)255
6.8.2離子密度與離子能量分布的確定255
6.8.3等離子體的離子質(zhì)譜分析257
6.9用質(zhì)譜確定等離子體物理基本數(shù)據(jù)259
6.10低溫等離子體的質(zhì)譜診斷應用260
6.10.1四極質(zhì)譜在放電等離子體中的應用260
6.10.2雙聚焦礁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜在放電等離子體中的應用272
6.10.8飛行時間質(zhì)譜在放電等高子體中的應用275
參考文獻278
第7章低溫等離子體離子能量的診斷281
7.1拒斥場能量分析技術(shù)281
7.1.1基本原理281
7.1.2測試技術(shù)282
7.2離子的速度與能量分布283
7.3離子能量分布特性284
7.4拒斥場離子能量分析技術(shù)應用286
7.4.1雙頻雙靶磁控濺射的離子能量診斷286
7.4.2Ag薄膜初始生長的高子能量關(guān)聯(lián)分析292
7.5能量分鐘的質(zhì)譜分析技術(shù)294
參考文獻296
第8章低溫等離子體的波干涉診斷298
8.1微波干涉法298
8.2傳輸線微波干涉法303
8.3激光干涉法308
8.4激光雙色干涉法310
參考文獻312
第9章放電等離子體阻抗分析技術(shù)314
9.1放電等離子體阻抗分析的理論基礎314
9.2放電等離子體阻抗分析射頻V-I探針技術(shù)316
9.3放電等離子體阻抗分析的應用318
9.3.1在磁控放電鞘層研究中的應用318
9.3.2在射頻、甚高頻放電特性研究中的應用319
9.3.3在等離子體刻蝕中的應用321
9.3.4放電等離子體化學分析324
參考文獻326
附錄328
參考文獻337
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低溫等離子體診斷原理與技術(shù) 節(jié)選
第1章等離子體基本概念和性質(zhì) 在很多科學展示館和大學的物理演示實驗室，經(jīng)常可以看到輝光球演示實驗。當開啟輝光球的電源時，球內(nèi)便出現(xiàn)光芒四射的輝光，如圖1-1所示。當人們用手指接觸球的外表面時，在手指周圍處輝光變得更加明亮。隨著手指在球外表面移動，明亮的輝光也跟著移動。這就是氣體放電產(chǎn)生等離子體的實驗現(xiàn)象。 圖1-1輝光球?qū)嶒灛F(xiàn)象 等離子體是物質(zhì)存在的一種基本形態(tài)，是除固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)以外的物質(zhì)第四種形態(tài)。它廣泛存在于宇宙中，例如星云和星際空間、太陽日冕、地球上空的電離層、極光等。也存在于人類活動中，例如等離子體發(fā)光與顯示、微納電子器件加工、等離子體材料加工、等離子體醫(yī)學應用、等離子體環(huán)境應用、等離子體推進、等離子體隱身、熱核聚變研究等。隨著人們對等離子體的認識不斷深入以及等離子體應用的不斷擴展，人類社會的發(fā)展和進步與等離子體已密切相關(guān)。 1.1等離子體概念 1.1.1等離子體的定義與產(chǎn)生 等離子體是由帶電粒子（包括正離子、負離子、電子）和各種中性粒子（包括原子、分子、自由基和活性基團）組成的集合體，它在宏觀上呈電中性［1］。我們將這種含有帶電粒子的物質(zhì)稱為等離子體，如圖1-2所示。 圖1-2等離子體組成示意圖［2］ 從物質(zhì)的形態(tài)變化，可以了解等離子體的產(chǎn)生機理。一切宏觀物質(zhì)都是由大量分子組成的，分子間力的吸引作用使分子聚集在一起，在空間形成某種有規(guī)則的分布，而分子的無規(guī)則熱運動具有破壞這種規(guī)則分布的趨勢。在一定的溫度和壓力下，某一物質(zhì)的存在狀態(tài)取決于構(gòu)成物質(zhì)的分子間力與無規(guī)則熱運動之間的競爭。在較低溫度下，分子無規(guī)則熱運動較弱，分子在分子間力的作用下被束縛在各自的平衡位置附近作微小振動，分子排列有序，表現(xiàn)為固態(tài)。溫度升高時，無規(guī)則熱運動加劇，分子的作用力已不足以將分子束縛在固定的平衡位置附近作微小振動，但還不至于使分子分散遠離，這就表現(xiàn)為具有一定體積而無固定形態(tài)的液態(tài)。溫度進一步升高，無規(guī)則熱運動進一步加劇，分子間力已無法使分子間保持一定的距離，這時分子互相分散遠離，表現(xiàn)為氣態(tài)。當溫度繼續(xù)增加到足夠高時，構(gòu)成分子的原子獲得足夠大的動能，開始彼此分離，這一過程稱為離解。在此基礎上進一步提高溫度，原子的外層電子將擺脫原子核的束縛而成為自由電子，失去電子的原子變成帶正電的離子，這個過程叫電離。這種電離氣體就是等離子體，它通常是由光子、電子、基態(tài)原子（或分子）、激發(fā)態(tài)原子（或分子）以及正離子和負離子六種基本粒子構(gòu)成。 與物質(zhì)的氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)相比，等離子體態(tài)無論在組成上還是在性質(zhì)上均有著本質(zhì)的差別，主要在于它含有帶電粒子，其行為主要表現(xiàn)為：①等離子體從整體上看是一種導電流體；②等離子體中帶電粒子會受到電磁場的作用，可發(fā)生能量等的輸運過程；③帶電粒子間存在長程庫侖力的作用，由此導致各種集體行為。 1.1.2等離子體的分類 等離子體可以存在于自然界中，也可以由人工產(chǎn)生。圖1-3為自然界中存在的和人工產(chǎn)生的部分等離子體的密度溫度分布［3］，可以看出，自然界和人工等離子體的密度和溫度分布范圍非常寬。例如，在自然界存在的等離子體中，星際空間、電離層的等離子體為低溫、低密度等離子體；日冕的溫度高達幾千eV，為高溫等離子體。在人工產(chǎn)生的等離子體中，低氣壓輝光放電等離子體的密度約為1015 m-3，溫度約為幾個eV，為低溫等離子體；磁約束聚變和慣性約束聚變等離子體的溫度可達104 eV以上，密度可超過1025 m-3，為高溫、高密度等離子體。 圖1-3自然界中存在的和人工產(chǎn)生的部分等離子體的密度溫度分布［3］ 由于自然界和人工等離子體的密度及溫度分布范圍非常寬，在開展研究工作和實際應用時，可以將等離子體進行適當分類。通常，等離子體有下列幾種分類方法［1，3］。 （1）按照等離子體的熱力學平衡狀態(tài)，可以分為：①高溫等離子體，等離子體中電子溫度（Te）、離子溫度（Ti）及氣體溫度（Tg）完全一致，處于完全熱力學平衡狀態(tài)。例如太陽內(nèi)部、磁約束核聚變和激光聚變等離子體。②熱等離子體，等離子體中各類粒子沒有達到嚴格的完全熱力學平衡，但在局部區(qū)域電子、離子和氣體溫度達到了熱力學平衡，即Te≈Ti≈Tg=3×103～ 3×104 K時，為局部熱力學平衡等離子體。例如空氣中電弧放電等離子體。③低溫等離子體，等離子體中電子溫度很高，可達幾千K，而離子及氣體溫度接近室溫，即TeTi≈Tg，形成了熱力學的非平衡狀態(tài)，即非熱力學平衡等離子體。例如低氣壓下的射頻輝光放電、微波放電等離子體。 （2）按照等離子體的存在方式，可以分為：①天然等離子體，自然界自發(fā)產(chǎn)生及宇宙中自然存在的等離子體；②人工等離子體，由人工通過外加能量，如電場、磁場、輻射、熱和光能，激發(fā)電離物質(zhì)形成的等離子體。 （3）按照氣相中被離化粒子的比例，即氣體電離度α，可以分為：①完全電離等離子體，α=1；②部分電離等離子體，0.011015~1018 cm-3，這時粒子間的碰撞起主要作用；②稀薄等離子體（或低氣壓等離子體），等離子體密度n<1012~1014 cm-3，這時粒子間的碰撞基本不起作用。 1.2等離子體的導電性與準電中性 1.2.1等離子體的導電性 等離子體從整體看，是一種導電流體。對等離子體施加電場，帶電粒子（離子、電子）的移動在等離子體中產(chǎn)生了電流，因此等離子體具有導電性能［3］。 將等離子體看作眾多微觀粒子的集合，其電導率σ可以寫為 （1-1） 式中，ne、me、νce分別為電子密度、電子質(zhì)量、電子與其他粒子之間的碰撞頻率。 對于電子只與帶電粒子碰撞的情況，等離子體的電導率σs為 （1-2） 式中，z、ε0、k、Te、lnΛ分別為帶電粒子電荷數(shù)、真空介電常量、玻爾茲曼常量、電子溫度、庫侖對數(shù)。庫侖對數(shù)為 （1-3） 式（1-2）由物理學家Lyman Spitzer提出［4］，因此σs稱為Spitzer電導率。 1.2.2等離子體的準電中性 在等離子體中，正、負帶電粒子數(shù)目基本相等（ni≈ne），系統(tǒng)在宏觀上呈現(xiàn)電中性，但在小尺度上則顯示出電磁性，這種情況稱為準電中性［3］。 用泊松方程可以估計跨越等離子體（長度為L）的電勢差 （1-4） 通？梢哉J為 （1-5） 其中，λD是等離子體德拜長度（定義見1.4.3節(jié)）。聯(lián)立上述兩式有 （1-6） 當λ2DL21時，則有zni=ne，即等離子體中的正、負電荷密度相等，宏觀上呈現(xiàn)電中性。 要指出的是，某種擾動會使等離子體中的電子和離子偏離電中性平衡態(tài)，但是正、負電荷分離而產(chǎn)生的電場會促使等離子體恢復電中性。通常等離子體偏離電中性的程度約為十萬分之幾。 1.3等離子體鞘層 等離子體雖然是準電中性的，但是，當它們與器壁相接觸時，之間會形成一個薄的正電荷區(qū)，不滿足電中性的條件，這個區(qū)域稱為等離子體鞘層［1，5］，如圖1-4所示。 圖1-4等離子體鞘層［2］ 鞘層的形成過程如下：考慮一個寬度為l、初始密度為ni=ne的等離子體，被兩個接地（Φ=0）的極板包圍，這兩個極板都具有吸收帶電粒子的功能，由于凈電荷密度ρ=e（ni-ne）為零，在各處的電勢Φ和電場Ex都為零，如圖1-5（a）所示。 圖1-5鞘層的形成［5］ 由于電子的熱運動速度（kTe/me）1/2是離子熱運動速度（kTi/mi）1/2的100倍以上，等離子體中的電子可以迅速到達極板而消失。經(jīng)過很短的時間后，器壁附近的電子損失掉，形成一個很薄的正離子區(qū)域，稱為鞘層，如圖1-5（b）所示。在鞘層中，ni≥ne，因此有凈電荷密度ρ存在。該電荷密度產(chǎn)生了一個在等離子體內(nèi)部為正、在鞘層兩側(cè)迅速下降為零的電勢分布Φ（x）。因為鞘層里的電場方向指向器壁，這個電勢分布是一個約束電子的勢阱，對離子而言則是一個勢壘。加在電子上的作用力-eEx指向等離子體內(nèi)部，阻止了等離子體中的電子向器壁的運動，使電子回到等離子體中。而電場對離子的作用是使進入鞘層的離子加速向器壁運動。 跨越等離子體鞘層的電勢稱為鞘電勢Vs，如圖1-6所示。只有具有足夠高能量的電子可以穿過鞘層而到達器壁表面，使表面相對于等離子體為負電勢，從而排斥電子。鞘電勢的值隨之不斷調(diào)節(jié)，*終使到達表面的離子通量與電子通量相等。 圖1-6鞘電勢與粒子密度［1］ 對于平板表面，鞘電勢Vs為［1］ （1-7） 對于球形表面，鞘電勢Vs為［1］ （1-8）
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