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1.3.3 沙哈方程
中性气体到完全电离等离子体状态的转变可由沙哈方程来 描述：
nnen gi (2m he3 kT)322gg0i exp(ekE Ti )
式中：h-普朗克常量； T-三种粒子的共同热动力学温度； gi-原子的电离电位； g0-离子基态的统计权重； gi/g0-中性原子基态的统计权重，碱性金属等离子体的
++
Em—复合后该电子所处的能级
En hν=ΔE
Em
- εe
hν
+ Em
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轫致辐射
e
h e e
-
e
E -
hv
回旋辐射
eB/me
×××××××× B -
××××××hv ××
hv
××××××××
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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
ne0 ni0 n0
当 ekT e1， ekT i <<1
，有
2n00e1keT een001ke Ti n0e02
1 kTe
k1Ti 1D 2
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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：
x0ex D
德拜长度：
(x) 0
1/2
D ne00 e2 k1 T ek1 T i
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激光
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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。
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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。
blue yellowwhite
blue
Positive Column
Red-pink red-brown dark-red blue-purple
whitegreen pink red-yellow red-yellow red-yellow
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介质阻挡放电（D精B品D课）件
滑动电弧放电等离子体
上式的静电位乘以电荷得到：
U
eV
r2e2n
30
此能量仅来自与有限的动力学温度T有关的动能
U 1KT 1eT 22
可得到与电中性的相对偏离： n 3T 0
n 精品课件 2er 2n0
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
等离子体应用技 术
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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
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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
等离子体工程：研究等离子体的发生以及等 离子体发生装置的学 精品课件
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
20世纪50年代起
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
20世纪80年代起
气体放电和电弧技术发展应用 低温等离子体物理发展
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1.5.1 等离子体物理研究领域
低温应用等离子体 高温聚变等离子体 空间和天体等离子体
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冷等离子体应用
等离子体的化学过程
刻蚀
化学气相沉积（成膜）
等离子体材料处理
表面改性
表面冶金
光源
冷光源（节能）
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毫米级厚金刚石片制备研究
纯金刚石片 （直径30mm） 半透纯金刚石 热沉片10x10 mm2
北极光
火焰
人类居住环境
精品课密件 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、强流精束品课、件 飞行器鞘套与尾迹
约为0.5，其他气体约为1的量级。
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1.3.4 等离子体的时空特征限量
等离子体的电中性有其特定的空间和时间尺度。 空间尺度下限—德拜长度 时间尺度下限– 电子走完一个振幅（等于德拜
长度）所需的时间τp
p
( D
kTe / me
)1/ 2
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1.3.5空间等尺离度子要体求判据：等离子体线度远大于德拜长度
1/2
时征间 响尺 应度 时要 间求：等l 离子D,体D碰撞knT时eee2间0 、存在时间远大于特
等离子体参数：在德拜p,球p中粒(kT子e/D数me足)1/2够多，具有统计意
义
1 , 4n 0D 2 ( T 3 /n 0 ) 1 /2
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1.4 等离子体分类
天然等离子体
按存在分类
D mv2 8kT 3q 3q
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
DB
kTe 16eB
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1.2.5 等离子体辐射
激发辐射
hv =En-Em=ΔE
复合辐射
hv =εe+(Ei-Em)
εe—复合前自由电子的动能 Ei—电离能
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空间天体等离子体 什么保护了地球：等离子体
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空间天体等离子体
北极光
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空间天体等离子体
逃离太阳的等离子体
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空间天体等离子体
星系：巨大的聚变反应堆
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等离子体参数空间
温度 (度)
星云
太阳风 星际空间
日冕
霓虹灯 荧光
磁约束 聚变
氢弹
惯性聚变
太阳核心 闪电
气体 液体 固体
人工等离子体
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 .0 1 1 1 0 6 0 .0 1
按粒子密度分类
致密等离子体 n>1015~18cm-3
稀薄等离子体n<1012~14cm-3
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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
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等离子体化学发展简史 等离子体化学源自18世纪 1758年火花放电产生臭氧 1785年利用气体放电制备了氧化氮
20世纪60年代，利用等离子体技术实现了许多前 所未有的化学反应，形成了低温等离子体化学， 在半导体材料、表面刻蚀、薄膜制备方面取得瞩 目的成绩。
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如何获得拥有不同电子密度及电子温度的、大范 围均一的等离子体区域，是目前等离子体工程所面临 的主要问题。
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）
电晕放电等离子体
例如：电晕放电，辉光放电，火花放电
DBD等离子体
电弧、碘钨灯 介质阻挡放电，微波放电及射频
冷等离子体 热等离子体 放电等
Te≠Ti，Tg
Te=Ti，Tg
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霓虹灯
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太阳等离子体喷流
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电晕放电实例
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部分气体辉光放电的颜色
Gas
Cathode Layer
He Ne(neo
n) Ar Kr Xe H2 N2 O2 Air
red yellow pink
red-brown pink red pink
Negative Glow
pink orange dark-blue green orangegreen thin-blue
聚变等离子体
核聚变反应
D + T = n + 4He D + T = p + 3He
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聚变等离子体
实现聚变的三种途径
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聚变等离子体 托卡马克装置( JET )
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美国激光聚变装置
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美国国家点火（NIF）激光聚变装置
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激光聚变电站
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神光精品I课I件、星光II激光聚变装置
带Si衬底的金刚石厚膜
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特征类金刚石表面制造
纳米尺度上 针尖状表面