2
e x kTe ne x ne 0e
e
0
ne ni
e x kTi ni x ni 0e
热平衡时电子、离子密度满足 Boltzmann 分布：
ne 0 ni 0 n0
当 e kTe 1， kTi <<1，有 e
冷等离子体 Te≠Ti，Tg 热等离子体 Te=Ti，Tg
完全热力学平衡等离子体（高温等离子体） 例如：太阳内部，核聚变和激光聚变
电晕放电等离子体 例如：电晕放电，辉光放电，火花放电 电弧、碘钨灯 DBD等离子体 介质阻挡放电，微波放电及射频
放电等
聚变、太阳核心 高 温 等离子体
低 温 等离子体
10000oC
1/ 2

时间尺度要求：等离子体碰撞时间、存在时间远大于特 征响应时间
D 1/ 2 p , p ( ) kTe / me

等离子体参数：在德拜球中粒子数足够多，具有统计意 义
2 1, 4 n0D (T 3 / n0 )1/ 2
1.4 等离子体分类
天然等离子体 按存在分类 人工等离子体
+
Em

轫致辐射
e
e
h e e
-
-
E
hv

回旋辐射
eB / me
×××× ×××× B hv ×××× ×××× hv ×××× ××××
1.3 等离子体特征量及等离子体判据
1.3.1 粒子密度和电离度
ne表示电子密度 ni表示离子密度 ng表示中性粒子密度 当ne= ni时，用n表示二者中任意一个带电粒子的密度， 简称为等离子体密度。 电离度α定义为
He Ne(neo n) Ar Kr Xe H N O Air
2 2 2
Red-pink red-brown dark-red blue-purple whitegreen pink red-yellow red-yellow red-yellow
介质阻挡放电（DBD）
滑动电弧放电等离子体
激光
等离子体应用技 术
参考教材： 1. 等离子体技术与应用 许根慧等 化学工业出版社 2.等离子体技术及应用 赵青 刘述章 童宏辉 国防工业出版社
目录



等离子体基本原理 等离子体的化学行为 等离子体发生技术 介质阻挡放电等离子体技术与应用 电晕和辉光放电等离子体技术与应用 微波放电等离子体技术与应用 等离子体在薄膜制备中的应用 等离子体在高分子化学中的应用 等离子体显示技术 等离子体在隐身技术中的应用 等离子体应用技术进展
空间天体等离子体 什么保护了地球：等离子体
空间天体等离子体
北极光
空间天体等离子体
逃离太阳的等离子体
空间天体等离子体
星系：巨大的聚变反应堆
等离子体参数空间
温度 (度)
氢弹 星 云 磁约束 聚 变 惯性聚变
日冕
太阳风 霓虹灯
太阳核心 闪电
星际空间
荧光 北极光 火 焰
气体 液 体 固 体
人类居住环境


1.1.1 等离子体存在处：
宇宙中90％物质处于等离子体态。由地球表面 向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式， 它与众所周知的物质三态也就是气态、液态、固 态并列称为物质的第四态,即等离子体态。如大气 外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、 太阳内部、星际空间、闪电、极光、星云及星团， 毫无例外的都是等离子体。
e ne 1 me vce
2
对于电子只与每个电荷数均为z的带电粒子碰撞的 情况，等离子体整体电导率σs为
51.6 1 2 (kTe ) s 2 ( ) e z me ln
2 0
32
ln
为库仑对数，
12 ( 0 kTe ) ln ln 2 3 12 z e ne
(x)
0
x 0 e x
德拜长度：
1/ 2
D
ne 0e 1 1 D 0 kTe kTi
2

2 De
2 1/ 2 Di

Te/e
x
库仑屏蔽势，点电荷在等离子体中产生的电势分布为：
x
mv 2 8kT D 3q 3 q
另外，David Bohm 提出了一个从经验推论的扩散系数， 用于描述某些电弧中等离子体的径向扩散，表示为
kTe DB 16eB
1.2.5 等离子体辐射

激发辐射 hv =En-Em=ΔE 复合辐射
En hν=ΔE

Em
εe hν
hv =εe+(Ei-Em) εe—复合前自由电子的动能 ++ Ei—电离能 Em—复合后该电子所处的能级
冰
液体
水
气体
水汽
等离子体
电离气体
00C
1000C
100000C 温度
放电是使气体转变成等离子体的一种常见形式
普通气体
等离子体
放电 需要有足够的电离度的电离气体才具有等离子体 性质。
“电性”比“中性”更重要 ( 电离度 >10-4 )
1.2 等离子体特征
1.2.1 等离子体的整体特征 等离子体是一种导电流体。 对于洛仑兹等离子体，把等离子体看作微观粒子 的集合，可以把等离子体的整体导电率σ写为
第一章 等离子体基本原理
1.1 等离子体概念：由大量的带电的正粒子、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。 注意：

非束缚性：异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的 基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其 结合体。 粒子与电磁场的不可分割性：等离子体中粒子的运动与电 磁场（外场及粒子产生的自洽场）紧密耦合，不可分割。 集体效应起主导作用：等离子体中相互作用的电磁力是长 程的。
q 4 0 r
e r D
通常由于离子响应慢，离子的动态屏蔽作用可略，D De 德拜长度是等离子体保持准电中性的最小尺度 德拜长度也是集体效应起主要作用的最小尺度
1.2.4 等离子体扩散过程 对于麦克斯韦气体和非磁化等离子体，Einstein给出了此类 等离子体的扩散系数
n0 e 1 1 e en0 e n0 e 2 1 2 1 1 0 kTe kTi D 0 kTe 0 kTi
2
等离子体的特征长度：德拜长度
一维模型（电极为无限大平板），解为：

ne /(ne ng )
1.3.2 电子温度和离子温度 在热力学平衡状态下，粒子能量服从麦克斯韦分布，单个 粒子平均平动能KE与热平衡温度的关系为： KE=mv2/2=3KT/2 式中：k为玻尔兹曼常数， T为温度 在讨论等离子体时，往往直接以“电子伏特”作为温度单位，以下 记为Tev， Tev=kT=1ev=1.6×10-12尔格 根据等离子体的粒子温度，可以把等离子体分为两大类，即 热平衡等离子体和非平衡等离子体。
维持的对电中性的最大偏离估算出来。 一个密度几乎相等，每立方米n0个粒子的电子和单
电荷正离子构成的含能等离子体，在半径为r的球形区域
内，此体积内的静电能由其所包围的剩余电荷量决定， 此球表面的静电位为：
V
Q 4 0 r
Q=eδn，为球内静电荷，其中e为电子电荷，此时球表
面的静电位为
被推进净负电荷小球区域的一个电子所得到的能量可由
完全电离等离子体 按电离度分类 部分电离等离子体 部分电离等离子体
1
0.01 1 106 0.01
致密等离子体 n>1015~18cm-3 按粒子密度分类 稀薄等离子体n<1012~14cm-3
按热力学平衡分类 局部热力学平衡等离子体（热等离子体） 例如：电弧等离子体，高频等离子体 极光、日光灯 非热力学平衡等离子体（冷等离子体）
密度(cm-3)

地球上，人造的等离子体也越来越多地出现在我们的周围。

日常生活中：日光灯、电弧、等离子体显示屏、臭氧发 生器 典型的工业应用：等离子体刻蚀、镀膜、表面改性、喷 涂、烧结、冶炼、加热、有害物处理 高技术应用：托卡马克、惯性约束聚变、氢弹、高功率 微波器件、离子源、强流束、飞行器鞘套与尾迹
1.2.3 等离子体鞘层 特征响应时间：τp＝ λ D/vT
＋
屏蔽层厚度：德拜长度 λD
－
在等离子体中引入电场，经过一定的时间，等离子体中 的电子、离子将移动，屏蔽电场——德拜屏蔽
德拜屏蔽鞘层 设想在等离子体中插入一电极，试图在等离子体中建立电场
电子将向电极处移动，离子则被排斥，电极所引入的电场仅局限 在较小尺度的 “鞘层” 中 静电势满足 Poisson 方程：

磁流体动力学
等离子体物理发展简史

19世纪30年代起

放电管中电离气体，现象认识 建立等离子体物理基本理论框架 受控热核聚变 空间技术 等离子体物理成为独立的分支学科
气体放电和电弧技术发展应用 低温等离子体物理发展

20世纪50年代起


20世纪80年代起


聚变等离子体
核聚变反应
D + T = n + 4He
D + T = p + 3He
聚变等离子体
实现聚变的三种途径
聚变等离子体 托卡马克装置( JET )
美国激光聚变装置
美国国家点火（NIF）激光聚变装置