1、等离子体物理,Plasma Physics,等离子体概述,回顾,自由电荷构成、表现出集体行为的准中性多粒子系统.,等离子体,等离子体研究方法,1eV11600K,Ti=Te=Ta= 2000K-20000K,Ti=Ta=300K-400K.,Te=3-5万度,等离子体分类,百万度,宇宙中99的已知物质是等离子体,广阔的参数空间宽广的研究领域和应用前景!,聚变等离子体研究高温应用等离子体,人类赖以生存的最主要的资源是什么？,能源,能源是推动科学、技术和经济高速发展的保障，是人类文明进步的保障。最终，能源也是人类这一物种能够生存的保障。 人类目前被束缚在小小的星球上，虽然现在人类能源的开发利用已经
2、多元化，然而终归有枯竭的一天。,煤、石油、风、水、地热、太阳能，潮汐.,聚变等离子体研究高温应用等离子体,U. S. Department of Energy,人类对能源的需求和资源存留,核能,聚变等离子体研究高温应用等离子体,爱因斯坦的质能方程,10克氘15克氚 一生所需能源500升海水含10克氘无环境污染及长寿命放射性废料,聚变等离子体研究高温应用等离子体,受控热核聚变,聚变等离子体研究高温应用等离子体,受控热核聚变三种途径,地日系统,空间和天体等离子体研究,太阳 核聚变 太阳黑子 太阳风,什么保护了我们地球：等离子体,空间等离子体形态,空间和天体等离子体研究,空间和天体等离子体研究,极光
3、,等离子体研究领域,总 结,等离子体科学涵盖了受控热核聚变、低温等离子体物理及应用、国防和高技术应用、天体和空间等离子体物理等分支领域。 等离子体科学在能源、材料、信息、环保、国防、微电子、半导体、航空、航天、冶金、生物医学、造纸、化工、纺织、通讯等领域有广泛的应用。 等离子体研究领域对人类面临的能源、材料、信息、环保等许多全局性问题的解决具有重大意义。,作业：,1、什么是等离子体？ 2、简述等离子体分类。 3 、等离子体有那些描述方法。,等离子体概述,等离子体的形成及碰撞 等离子体的准电中性 徳拜屏蔽 等离子体鞘层及电位 等离子作振荡 等离子体中的基本参数 等离子体判据,等离子体概述,等离子
4、体的形成及碰撞 等离子体的准电中性 徳拜屏蔽 等离子体鞘层及电位 等离子作振荡 等离子体中的基本参数 等离子体判据,1. begins with neutral gas particles (atoms or molecules) 2. there are also some free electrons present (cosmic ray or collision.) 3. an electric field is introduced that accelerates the free electrons the accelerated free electrons collide w
5、ith neutral gas molecules, producing more free electron More collisions and more charges.,等离子体的形成(电离气体等离子体),碰撞,光子,等离子体中的碰撞,电子与中性原子、分子间的 基元(elementary)碰撞过程1) 弹性（ elastic ) 碰撞过程， 仅有平动能交换 2) 非弹性（ inelastic ) 碰撞过程， 包含内能(振动、转动、电子态）变化 3) 电离（ionization) 碰撞e + A A+ + 2e 4) 附着( attachment ) 碰撞 （当A具有正电子亲合势时）
6、e + A + M A- + M 反应 ( reactive) 碰撞， 如解离反应：e + AB A + B + e 6) 复杂 碰撞过程， 如： 解离电离 e + AB A+ + B + 2e解离附着 e + AB A- + B,等离子体中的碰撞,Dissociation（离解） Ionization（电离） Excitation（激发） Recombination（复合）,等离子体中的碰撞,Gas molecules are broken down into smaller fragments called “Free Radicals”: M + e- = M1 + M2 + e- Fr
7、ee radicals are high-energy chemical species. Although they are electrically neutral, they are unstable. They readily react with other substances in order to achieve a more stable configuration.,Dissociation（离解）,(plasma chemistry),In the example shown, the free radical Cl is generated. The stable st
8、ate of chlorine is Cl2. Since Cl (by itself) is unstable, it readily reacts with aluminum as follows: Al(s) + 3Cl(g) AlCl3 (g) This is an aluminum etch process.,Dissociation（离解）,Free Radicals are the useful products of a plasma that are used in: Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) outc
9、ome of the chemical reaction is a solid Plasma Etching and Plasma Cleaning outcome of the chemical reaction is a vapor,Dissociation（离解）,PECVD,Electron(s) are knocked loose from a neutral atom or molecule M + e- = M+ + 2e- The resultant positively charged particles are called “ions.” Since they carry
10、 an electric charge, ions can be manipulated by an electric field.,Ionization（电离）,As an example, in a typical sputtering operation, Argon (Ar) gas is introduced into a vacuum chamber. A plasma is then ignited. The ionization process that occurs is described by the equation: e- + Ar 2e- + Ar+ The pos
11、itive argon ions are attracted to the negatively charged target in a sputtering system. When they strike the target, a vapor is created that deposits on the wafer.,Ions are the useful products of a plasma that are used in: Sputter Deposition Reactive Ion (highly directional) Etching Ion Implantation
12、,普通气体,等离子体,能量,Ionization:,Following electron impact, the molecules hold together, but they absorb energy and enter an excited state. Valence electrons are bumped up to a higher energy level (shell). After a few nanoseconds, these excited electrons relax back to the valence band. This is called “Rela
13、xation”. The additional energy acquired is “dumped”, and a photon of light is emitted. This is what gives a plasma its glow.,等离子体为什么会发光？,Excitation（激发）,等离子体（增强）化学汽相沉积 P（E）CVDPlasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,Excitation（激发）,If they are not “used up” in other chemical reactions, the free radic
14、als will spontaneously recombine to resume their more stable states: CCl3 + Cl CCl4,If they are not absorbed by the wafer or target, the ions will spontaneously recombine to become neutral atoms again. e- + Ar+ Ar,Recombination（复合）：,The reverse process of Dissociation is called Recombination.,The re
15、verse process of Ionization is also called Recombination.,在自持放电等离子体中，电离和复合之间最终达到平衡,小结：,Plasma Formation,等离子体概述,等离子体的形成及碰撞 等离子体的准电中性 徳拜屏蔽 等离子体鞘层及电位 等离子作振荡 等离子体中的基本参数 等离子体判据,等离子体是电准中性气体,等离子体在宏观上保持电中性,电子、阳粒子、阴离子、各种中性粒子。,为什么等离子体总是表现出宏观的电中性呢？,如果一种气体中所含电子和离子（单电荷）的数目不相等，则存在一个净电荷密度， 。,无论哪种带电粒子多于另一种都会使电荷受到静电
16、作用力，即，如果nine，则电场E会促使ni减少，ne增加，而总电荷量趋于减少。这种静电恢复力是极强的。,对于一维情况,泊松方程,例如：电子密度为 氢等离子体中，突然有一个 半径为1cm 的球形区域内的电子的万分之一移到球外， 于是过剩的正电荷在距离球心为1cm 处将产生一个电场,列举一个例子,产生电场强度,n=10-510+20 0= 8.8510-12 e=1.6 10-19 R=10-2,电子在这样电场中 得到的加速度为,在等离子体内部，正、负电荷数几乎相等准中性,ne ni,ne ni,徳拜屏蔽,等离子体概述,等离子体的形成及碰撞 等离子体的准电中性 徳拜屏蔽 等离子体鞘层及电位 等离
17、子作振荡 等离子体中的基本参数 等离子体判据,徳拜屏蔽/等离子体屏蔽,Debye shielding effect,电磁学：金属(良导体)对外加电场的屏蔽作用, 导体 存在大量的可自由移动的电荷 导体的静电平衡条件：内部电场为零、表面电场与导体表面垂直,等离子体：对任何在等离子体中建立电场的企图都会受到等离子体(中“自由”带电粒子)的阻止，这就是等离子体的德拜屏蔽效应.,等离子体和普通的气体有很大区别，中性气体分子之间只有范德瓦尔斯力，而等离子体中是电荷粒子，除了范德瓦尔斯力之外还有静电力，通常范德瓦尔斯力忽略不计。,静电力德拜屏蔽,对于等离子体中任何一个电荷：,每个带电粒子附近都存在电场，该
18、电场被周围粒子形成的电荷云完全“屏蔽”时，在一定空间区域外呈现电中性。 这种屏蔽称为徳拜屏蔽，屏蔽粒子场所占的空间尺度成为徳拜长度 D。 显然，在r D的微观尺度内，电中性的概念是无效的。,一般来讲：任何带电物体都存在德拜屏蔽现象！,徳拜屏蔽现象,德拜屏蔽与德拜长度,德拜屏蔽的空间尺度是多少？电荷附近势能是如何分布的？,假设一个带负电荷q的离子位于坐标原点，在热力学平衡状态下，由于电子的静电吸引作用，负离子周围将出现过量的正电荷，随着距电荷q的距离r增大时，过剩电荷逐渐减小到0，离子周围的电势应满足泊松方程,r,库仑势,假设电子和离子服从波尔兹曼分布：,该分布的意义： 远离q处的数密度等于未扰
19、数值电势为正时，电子数密度增加，即电子将被捕获，离子被排空,泊松方程,这里n是非扰动区域（在此，等离子体是电中性的，即 ne=ni=n）的带电粒子密度。在离电荷足够远的位置有 ， 将指数函数按级数展开, 保留到一次项，得到：,电荷密度为,代入泊松方程,德拜长度,当,可由上式得到相应的德拜长度简化公式。,现在考虑电子或者离子的德拜长度,假设离子是不动的，它们仅构成密度均匀的正电背景，这时,同样，离子的德拜长度：,电子的德拜长度：,单次电离,德拜长度,德拜势 (the Debye potential)：,方程的通解为,A=?, B=?,式中A、B由边界条件确定。当,德拜势,德拜势等于库仑势乘衰减因
20、子e-r/D；随着距离的增加，德拜势的降落比库仑势快得多。,德拜势,库仑势,在距离带电粒子为德拜长度的球面（德拜球）上各点，电势已将落到库仑势的1/e，在球外可以基本上不存在，所以在等离子体内部一个电荷产生的静电场，被附近其他电荷屏蔽着的，其影响所及不超过德拜半径的范围。,D,静电作用的屏蔽半径； 等离子体中电荷局部偏离电中性的空间尺度，在球内各点.,徳拜长度及德拜屏蔽,讨论：,根据上面所述，德拜长度的物理意义为：,若使电离气体成为宏观电中性等离子体，仅当它的空间限度L远大于德拜长度时，才能成为等离子体，即,上面导出德拜长度时，使用了统计分布规律，这只有在德拜球内存在大量的正负带电粒子是可行的
21、。也就是说要求的德长度远大于粒子之间的平均距离，即,等离子体判据之二!,等离子体判据之一!,当密度增加时，由于每层等离子体包含了较多的电子，所以D 减小。此外，D 还随着KTe 的增加而增加，若没有热骚动，电荷云会收缩为一无限薄的层。,r,0,徳拜屏蔽尺度,徳拜屏蔽尺度D的物理意义：,1. D是静电作用屏蔽的半径,2. D 是局域性电荷分离 的空间尺度,3. D 是等离子体中电中性条件成立的最小空间,在 D 定义中使用的是电子温度，这是因为：电子比粒子更容易迁移，电子移动时通常会产生负电荷过剩或不足，从而产生屏蔽作用。,利用德拜长度能够计算出“徳拜球”中的粒子数ND：,德拜长度有如下两种有用形
22、式：,等离子体概述,等离子体的形成及碰撞 等离子体的准电中性 徳拜屏蔽及等离子体屏蔽 等离子体鞘层及电位 等离子作振荡 等离子体中的基本参数 等离子体判据,等离子体鞘层,把一团等离子体放在固体壁构成的容器中，就会看到等离子体与固体壁接触处，形成一个暗区（不发光区），带负电的薄层区，它把等离子体包围起来，这一薄层明显地偏离电中性，我们把这一薄层称为等离子体鞘层。,等离子体鞘层,Sheath,偏离电中性,偏离电中性,深入到等离子体内部的任何物体表面附近都会有一个鞘层，和德拜屏蔽相同。,我们知道，电子质量比离子质量小得多，而热运动的平均动能一般却是电子的比离子的大得多。即使两者平均能量相等：,因为离
23、子质量比电子质量大得多，所以电子的均方根速度比离子的均方根速度大得多。,鞘层的产生,这样流向固体器壁的电子流大大超过离子流，从而使固体壁负电荷过剩，这样就得到一个负电位，这个负电位反过来又会阻碍电子流的扩散，使离子流加速，最终会使电子和离子的扩散速度相同，这时电子流和离子流达到平衡，使固体壁上负电位数值不再改变，在固体壁到电中性的等离子体之间，形成一个电位逐渐过渡到零的“边界电位过渡层”，这就是鞘层。,下面我们来求鞘层稳定形成以后，电位 (y) 的分布和鞘层的厚度。,鞘层厚度,设鞘层中电子密度和离子密度，在位场 (y) 作用下按波尔兹曼分布：,而 (y) 满足泊松方程：,如果考虑,设,考虑到边
24、界条件：,方程的解为：,由于0是负的，上式表明电位分布是从0指数上升到零。其中鞘层的厚度,鞘层厚度rs和德拜长度D相同，即rs=D。,综上所述可见，温度越高，导致使电荷分离的粒子热运动动能越大，所以鞘层的厚度越大。另外，粒子密度越大，鞘层越薄。在一般放电管中，粒子的密度是足够大的，鞘层的厚度远小于放电管的半径，所以管内主要部分为电中性的等离子体。,等离子体电位,等离子体应用 等离子体诊断,电位0的计算,在等离子体内放置一固体，会有什么现象出现？,会有大量的电荷撞击固体表面，由于电子的速度远大于离子的速度，这样流向固体器壁的电子流大大超过离子流， 到底有多少电荷撞击固体表面呢？,首先计算射向固体
25、壁表面的粒子流密度（e为电子流密度， i 为离子流密度），即单位时间通过单位面积的粒子数。先计算电子流（y方向）：,式fe()为电子的麦克斯韦速度分布函数。对于没有外场的热力学平衡体系，麦克斯韦分布,热速度,很显然这个分布函数满足归一化条件，因为：,积分限y0是这样确定的：并非所有飞向固体壁的电子都能达到固体壁表面，只有能量大到足以克服固体壁负电位所产生的位势的电子，才能到达固体壁，因此到达固体壁的最小动能为：,由于离子不受固体壁“浮动”电位阻碍，所以没有积分下限vy0的限制，同理得离子流密度为：,达到平衡时：,电子的温度越高，则 0 的绝对值越大。,等离子体概述,等离子体的形成及碰撞 等离子
26、体的准电中性 徳拜屏蔽及等离子体屏蔽 等离子体鞘层及电位 等离子作振荡 等离子体中的基本参数 等离子体判据,等离子作振荡,等离子在热平衡时是准电中性的.若等离子体内部受到某种扰动而使其中一些区域内电荷密度不为零 ,就会产生强的静电恢复力，使等离子体内的电荷分布发生振荡这种振荡主要是由电场和等离子体的流体运动相互制约所形成的,等离子体频率,等离子体中最普遍，最快的集体运动是由电子运动的涨落引起的，为了推导简单起见，设在厚度为L的等离子体薄片中如图，由于偶然的涨落，电子相对离子移动了一小段距离x，在薄片两侧面上形成密度为 nex的面电荷。这时在片内就产生了强度为 nex/0的电场，具有把电子拉回到
27、原来位置的趋势。设电子的质量为me，于是每个电子的运动方程（在没有外磁场时）就是：,上式为一振荡方程.,振荡的角频率为：,这里pe称作电子等离子体频率,大气中的电离层是稀薄的等离子体，n0为10101012m3它的等离子体频率fp=p/2 = 110MHZ .,相应的线频率为,上面讨论了等离子体中电子振荡，事实上我们可以用同样的方法讨论等离子体中离子振荡。因为如果电子是灼热的，则在离子完成一个振荡的时间内，电子依靠热运动，可以在空间实现均匀分布，所以有理由假设离子振荡是在均匀的电子背景中产生的，所以离子振荡频率可以完全按照导出电子振荡频率那样得到,注意c为碰撞阻尼频率，它是热运动阻碍恢复电中性
28、的因素，即维持电荷分离的因素。而p为恢复电中性的因素。,如果碰撞频率 比等离子体频率小得多,即表示来不及通过碰撞耗散振荡能量，则等离子振荡能维持， 上述条件也可以写成：,等离子体振荡是等离子体集体行为的一种体现，因此振荡频率也成为等离子体存在的判据。,等离子体判据之三!,讨论电子振荡时认为离子是不动的或讨论离子振荡时，认为电子是运动的，选取相对运动坐标，可得相对运动振荡频率，称等离子体振荡频率。相对运动方程形式上和 pe 式一致，但是以折合质量,振荡频率的物理意义,等离子体对内部扰动作出反应的速度 等离子振荡频率高，表明等离子体对电中性偏离的响应快,假设在等离子体中某处发生扰动,即电中性被破坏
29、.,电场 驱动粒子(电子、离子)运动“过冲”运动 往返振荡 电子、离子振荡频率,等离子体振荡频率,等离子体概述,等离子体的形成及碰撞 等离子体的准电中性 徳拜屏蔽及等离子体屏蔽 等离子体鞘层及电位 等离子作振荡 等离子体中的基本参数 等离子体判据,等离子体种的基本参数,2. 密度: 单位 米-3,等离子体温度,温度是平衡态的参量，对于满足Maxwell速度分布函数(已经归一化)的粒子：,粒子的平均动能与温度的定义 (统计力学：分子热运动的一种度量),等离子体温度是粒子平均动能的度量,等离子体温度,电子和离子的质量相差悬殊，二者通过碰撞交换能量，一般比较缓慢，所以在等离子体内部，首先是各种带电粒
30、子成分各自达到热力学平衡状态，这时就有电子温度kTe 和离子温度kTi，只有当等离子体整体达到热力学平衡状态后，他们才有统一的等离子体温度kT。,电子温度Te和离子温度Ti,如日光灯管内形成的等离子体，其中电子温度达到几万度，而离子温度仅在室温附近。这样的等离子体就没有统一的温度，对于这样的等离子体要用二温模型来描述。经常电子和离子各自也没有达到热平衡，可通过平均动能定义温度,由于垂直与磁场方向上的运动受磁场的影响.磁场的出现使得沿着磁场方向和垂直于磁场方向上的速度分布可以截然不同，可认为在不同方向上的等离子体存在不同的温度. 粒子的分布函数为:,垂直温度Tperp 和平行温度Tpara,粒子
31、的平行动能合垂直动能为:,荧光灯管内的电子温度为20,000K 日冕气体温度高达百万度,却烧不开一杯水,消除流行的错误的温度概念:,除温度之外,还必须考虑热容量 E n kB T 温度 V.S. 能量密度,kBT=1电子伏=1.61012尔格=1.61019焦尔。,在等离子体物理学中温度通常用能量单位,eV (电子伏特),1eV11,600K,等离子体密度,单位 米-3,由于等离子体作为一个整体是电中性的，因此应该满足宏观电中性条件, 设ni是离子密度，是ne电子密度, 则有,这里n为等离子体密度。等离子体的电离度定义为,这里na 是中性粒子密度,到此为止，我们以主要用四个参数来描述等离子体,
32、两个是独立参数：,电子密度和等离子体温度,其它的参数是这两个参数的函数:,德拜长度和等离子体频率,电子的热运动的平均速度,粒子之间的平均距离:,等离子中的其他参数:,如果等离子体中粒子的密度为n,粒子间平均间距为:,郎道长度:,等离子体中两个电荷粒子能够接近的最小距离.,经典条件,一般等离子体可以用经典理论来处理,但是必须满足一定的条件:粒子的德布罗意波长远小于粒子之间的平均间距!,粒子德布罗意波长,粒子间平均间距,一般的等离子体基本满足这样的条件,但是对于固体等离子体或者恒星内部等离子体,密度很高,所以布满足这个条件,这时需要用量子理论了描述:量子等离子体.,稀薄条件,一般常常把等离子体当作
33、理想气体来处理,但也是必须满足一定的条件:粒子热运动的特征动能远大于粒子之间的库仑作用势能!,满足稀薄条件的等离子体可以看成是理想气体,有,等离子体概述,等离子体的形成及碰撞 等离子体的准电中性 徳拜屏蔽及等离子体屏蔽 等离子体鞘层及电位 等离子作振荡 等离子体中的基本参数 等离子体判据,等离子体判据,等离子体必须满足的三个条件是：,等离子体判据,等离子体存在满足下面三个条件,第一个条件：,第二个条件：,第三个条件：,即等离子体的德拜长度大于粒子间的平均距离，德拜屏蔽效应是大量粒子的统计效应，统计条件要求德拜球内有大量的粒子，为此必须满足此条件。,即德拜长度远小于等离子体特征长度，由于在德拜球
34、内不能保证此电中性。所以不满足这个条件，就不可能把等离子体看作电中性的物质聚集态。,c是碰撞频率，是热运动阻碍恢复电中性的因素，当pc 时，电子来不及通过碰撞耗散振荡能量，则振荡能维持，保证了等离子体维持电中性。,作业,1.为什么等离子体为准中性？简述等离子体判据。,2. 计算：等离子体中存在一个带电量为+q的带电体，试求这时带电体之外的空间电位分 布，并给出德拜长度的表达式。说明德拜长度的物理意义。,3、试计算下列参数条件下等离子体的德拜长度D和等离子体振荡频率P。,（1）磁流体发电机：Te2500K及n1020m3。 （2）低压辉光放电：kBTe2eV及n1010cm3。 （3）地球的电离层：kBTe0.1eV及n106cm3。,12、严格稳定条件下，离子和电子都服从玻尔兹曼分布,对于无限大位势位的电荷透明栅，试证明等离子体屏蔽距离近似位：,13、假定两个无限大的平板，分别处于xd，如果平板位势能0，两平板之间均匀充满密度位n，电荷为q的气体。使用泊松公式证明两平板之间的电势分布为,Thanks!,
