等离子体及其物理特性

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1、11. 等离子体及其物理特性等离子体(又称等离子区)定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现 净空间电荷的电离气体。也就是说，其中正负电荷密度相等，整体上呈现 电中性。等离子体可分为等温等离子体和不等温等离子体， 一般气体放电 产生的等离子体属不等温等离子体。等离子体有一系列不同于普通气体的特性：o (1)高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比 热容。o (2)带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。o (3)宏观上是电中性的。虽然等离子体宏观上是电中性的，但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。电荷之间的库仑相互作用，使这种偏离电中性的范围不能无限扩大， 最终使电中性得以恢

2、复。偏离电中性的区域最大尺 度称为德拜长度 入DO当系统尺度L 入D时，系统呈现电中 强，当L入D 时，系统可能出现非电中性。2. 等离子体的主要参量描述等离子体的一些主要参量为:1.2.3.4.5.(1) 电子温度TeO它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中 电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与系，即与电子温度相关联。(2) 带电粒子密度。电子密度为ne,中ne厲。夸 轴向电场强度E lo表征为维持等离子体的(4) 电子平均动能 。(5) 空间电位分布。子的能量有直接关正离子密度为ni，在等离子体 存在所需的 能量。 电位长程的库仑力，一使它 动，如等离子振荡，此外，由于等离子体中带

3、电粒子间的相互作用是 们在无规则的热运动之外，能产生某些类型的集体厂 其振荡频率f，称为朗缪尔频率或等离子体频率。电子振荡时辐射的电磁 被称为等离子体电磁辐射。3.稀薄气体产生的辉光放电 本实验研究的是辉光放电等离子体。辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在1010e2Pa时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分 为明暗相间的8个区域，在管内两个电极间的光强、电位和场强分布如图 1所示。8个区域的名称为(1)阿斯顿区， 阴极辉区，(3)阴极暗区， 负辉区，(5)法拉第暗区， 正辉区(即正辉柱)，(7)阳极暗区，(8) 阳极辉区。正辉区是我们感兴趣的等离子区。 其特

4、征是：气体高度电离；电场强 度很小，且沿轴向有恒定值。这使得其中带电粒子的无规则热运动胜过它 们的定向运动。所以它们基中上遵从麦克斯韦速度分布律。由其具体分布mAi Ur Us UpA B3平均动能比其它粒图2软化态。因此，虽然电子温度很高（约为105），但放电气体的整体温度并不明显升高，放电管的玻璃壁并不4.等离子体诊断测试等离子体的方法被称为诊断，它是等离子体物可得到一个相应的温度， 即电子温度。但是，由于 电子质量小，它在跟离子 或原子作弹性碰撞时能 量损失很小，所以电子的 子的大得多。这是一种非平衡状1理实验的重要部分。等离子体诊断有：探针法、霍尔效应法、微波 法、光谱法，等等。下面介

5、绍第一种方法：探针法。探针法测定等离子 体参量是朗缪尔提出的，又称朗缪尔探针法，分单探针法和双探针法 单探针法探针是封入等离子体中的一个小的金属电极（其形状可以是平板形、 圆柱形、球形），其接法如图2所示。以放电管的阳极或阴极作为参考 点，改变探针电位，测出相应的探针电流，得到探针电流与其电位之间的 关系，即探针伏安特性曲线，如图 3所示。对此曲线的解释为：在AB段，探针的负电位很大，电子受负电位的拒斥， 而速度很慢的 正离子被吸向探针，在探针周围形成正离子构成的空间电荷层，即所谓“正离子鞘”，它把探针电场屏蔽起来。等离子区中的正离子只能靠热 运动穿过鞘层抵达探针，形成探针电流，所以 AB段为

6、正离子流，这个电 流很小。过了 B点，随着探针负电位减小，电场对电子的拒斥作用减弱，使一 些快速电子能够克服电场拒斥作用， 抵达探极，这些电子形成的电流抵消 了部分正离于流，使探针电流逐渐下降，所以BC段为正离子流加电子流。到了 C点，电子流刚好等于正离子流，互相抵消，使探针电流为零。 此时探针，电位就是悬浮电位 UF0继续减小探极电位绝对值，到达探极电子数比正离子数多得多， 探极 电流转为正向，并且迅速增大，所以 CD段为电子流加离子流，以电子流 为主。当探极电位up和等离子体的空间电位US相等时，正离子鞘消失，全 部电子都能到达探极，这对应于曲线上的D点。此后电流达到饱和。如果 UP进一步

7、升高，探极周围的气体也被电离，使探极电流又迅速增大，甚至 烧毁探针。由单探针法得到的伏安特性曲线，可求得等离子体的一些主要参量。对于曲线的CD段，由于电子受到减速电位（UP-Us）的作用，只有能 量比e （UP-Us）大的那部分电子能够到达探针。假定等离子区内电子的速度服从麦克斯韦分布，则减速电场中靠近探针表面处的电子密度 ne，按UP-U11玻耳兹曼分布应为（1）式中no为等离子区中的电Ini閤4将子密度，To为等离子区中的电子温度，k为玻耳兹曼常数。在电子平均速度为时，在单位时间内落到表面积为 S的探针_ 1 一上的电子数为：、 八（2）（1）式代人（2）式得探针上的电子电流:(3)其中八

8、（4）lul = lnh -+-bl = Inh- -+-对(3)式取对数其中:故（5）可见电子电流的对数和探针电位呈线性关系， 作半对数曲线，如图4所示, 由直线部分的斜率tg ,可决定电子温度Te：kT.若取以10为底的对数,则常数11600应改为:I瓠二（8）式中me为电子质量。由（4）式可得等离子区中的电子密度：4由ne =-式中10为up=u式的电子电流，S为探针裸露在等离子区中的表面面积。等离子体化学及其应用赵化侨中国科学技术大学应用化学系合肥 230026）等离子体化学随当代高技术的发展应运而生， 作为一个学科交叉的前沿研究领域， 自兴起以 来的短短 20 多年中，已在化学合成、

9、新材料研制、精细化学加工、表面处理等领域开拓出 一系列新技术、新工艺。同时也极大地丰富了化学的研究内容。一 物质的第四态 等离子态早在 19世纪初，物理学家便提出：是否存在着与已知的物质 “三态 ”有本质区别的第四态？ 随之进行了许多探索和研究。 1835 年，法拉第用低压放电管观察到气体的辉光放电现象。 1879 年，英国物理学家克鲁克斯在研究了放电管中 “电离气体 ”的性质之后，第一个指出物 质还存在一种第四态。1927年朗格谬在研究水银蒸气的电离状态时最先引入plasma （等离子体）这一术语。 1 929年汤克斯和朗格谬给等离子体赋予 “电离气体 ”的涵义。由此可见， 发现物质第四态已

10、经有 100 多年了。用实验方法测定等离子体参量的技术。诊断的方法有探针法、微波法、激光法、光 谱法、 光学法和粒子束法， 其中光学法的原理可参见风洞测试仪器； 粒子束法的应用不如前 五种普遍。诊断的参量包括微观参量（如碰撞频率）和宏观参量（如密度、温度、压力等热 力学参量，以及粘性、扩散、热导率和电导率等输运系数） 。一般表征部分电离等离子体特 性的参量主要是电子密度、 电子温度和碰撞频率。 电子密度和电子温度的范围不同， 所用的 测量方法也不同（图 1 、图 2）。 等离子体诊断技术是随着等离子体科学的进展而发展 起来的。 20 世纪初，开始观测宇宙等离子体。 20 年代，为了研究气体放电

11、，开创了实验室 等离子体诊断。从 50 年代起，在受控热核反应和空间技术研究的推动下，等离子体诊断的 研究进入全盛时期。下面将等离子体诊断应用的各种方法作一介绍。探针法 将实体探针放入等离子体中以获得所需参量，是等离子体诊断的基本手段之 一。此法可以得到有关等离子体内部细致结构的信息和各种参量的分布情况。 缺点是会干扰 被测等离子体， 例如改变流动图像， 形成空间电荷包鞘， 产生杂质污染等。 此法应用的探针 及其探测原理分述如下：静电探针 它是一种金属电极。图 3 是三种典型静电探针结构的剖面图。 通过电路 （图 4 将偏置电压加在探针和补偿电极（如等离子体的金属器壁或放电电极等）之间，探 针

12、就从等离子体中收集带电粒子， 形成电流。 用适当的仪表记录下电压和电流， 便可得到探 针的电流电压特性（伏安特性）曲线（图5）。特性曲线可以分为三个不同特点的区域： 饱和离子电流区：探针电位远低于等离子体的空间电位，探针基本上只收集正离子。过渡 区：探针电位逐渐增高， 但仍低于空间电位， 探针同时收集电子和正离子。 当电子电流和离 子电流相等时， 探针总电流为零， 相应的探针电位称为浮置电位。 以上两个区的特性统称为 负探针特性。饱和电子电流区：当探针电位等于空间电位时，带电粒子完全凭借本身的热运动到达探针表面 ， 因此探针收集的是无规电流。由于电子质量远小于离子质量，电子的 无规电流远大于离

13、子无规电流。 探针电位高于空间电位时， 几乎全部离子都被拒斥， 探针只 收集电子电流。静电探针理论给出等离子体参量和探针特性之间的定量关系。利用静电探针可以测量等离子体中带电粒子 （电子或离子 ）的数密度、电子温度以及空间电位等。移动 探针还可以测知上述参量的分布情况。静电探针法是I朗缪尔等人在研究低气压气体放电时创制的，现在已在高气压、高温、 有流动、有磁场等各种复杂情况中得到广泛的应用。磁探针 它是一个探测线圈 （图 6）。当其中的磁通量发生变化时，线圈中便产生感应电动势， 从而给出等离子体中当地磁场的时间变化率。 如在探针输出端接上积分电路， 便可 直接得到磁感应强度。 若改变探针线圈取

14、向可以测得磁场在不同方向上的分量。根据这些数据，还可以推算等离子体中的电流和电场分布、 压力分布以及电导率等。 磁探针一般只能用 于探测随时间变化的等离子体。 磁探针输出信号一般很弱， 要避免杂散拾音， 最好采取静电 屏蔽措施。电导率探针 由磁场线圈和探测线圈组成。它利用磁场和等离子体相互作用原理来确 定等离子体的电导率。电导率探针有电导率计（图7）和射频电导率探针（图 8）等类型。对于电导率计， 当高速运动的等离子体切割其磁场线圈的磁力线时， 等离子体中便产生感应 电流。这又在探测线圈中造成磁通量的变化并感生出电动势。 在已知等离子体运动速度的情 况下， 测量探测线圈中的感应端电压， 可以得

15、到等离子体的电导率。 射频电导率探针是把磁 场线圈和探测线圈合成一个。 它利用振荡器产生高频振荡， 并通过电介质窗口传输到等离子 体中，从而感应出涡流，涡流又影响线圈的阻抗。测量线圈的品质因数（Q 值）或谐振频率的变化 ,可以确定等离子体的高频电导率。微波法 利用电磁波频谱中的微波与等离子体相互作用的原理来测量等离子体参量的方法。微波在等离子体中传播时,会使微波器件的工作状态发生变化（如 Q 值下降等），并发生吸收、相移以及反射、折射、散射等过程。相 应的衰减量、 相移量和反射量等物理量可由实验测定， 而它们对等离子体的电子密度、 碰撞 频率等参量的依赖关系则可由理论分析给出。 基于这类现象的

16、诊断称为微波传输测量， 它分 为空腔法和自由传播法两种。图 9 给出自由传播法的三种基本方法，可进行衰减测量、反 射测量和相移测量等。另一类微波法是测量等离子体的微波辐射（如黑体辐射、轫致辐射、 回旋辐射和相干辐射等） ，从而获得有关等离子体温度、不稳定性等特性的信息。微波法的优点是不干扰被测等离子体， 缺点是空间响应较差， 动态范围较小。 常用的微波测试设备有：微波谐振腔 可以传输微波的波导或谐振金属腔 , 用于空腔法。当微波穿入封闭于腔 内的等离子体中时，等离子体的特性会影响谐振腔的状态,例如品质因数 Q 值下降、谐振频率移动等。通过扰动分析等方法又可以得知谐振腔Q 值变化、频移与等离子体

17、参量之间的关系。 由此可以测出等离子体的电导率、 电子密度和碰撞频率等参量。 如果等离子体的电子 密度过高，体积过大，此法即不适用。微波干涉仪 一种基于桥式电路的微波装置，用于自由传播法。它主要是利用相移法 进行测量， 特别适宜于观测瞬变等离子体， 但同时也可测定传输信号的衰减量， 因此应用相 当广泛。在干涉仪中（图 9c），微波信号分成两路：一路通过等离子体，当测量路径中的等 离子体参量发生变化时， 此路信号的相位便发生相应的变化； 另一路为参考路径， 其中的相 移是固定不变的。这两路信号在适当的微波器件（如T形接头、耦合器等）上叠加混合，便发生干涉。 干涉后的信息由检测器等器件检测， 输出

18、并在示波器等仪表上显示。 干涉仪的响应 主要取决于相移， 但与振幅的衰减也有关系。 微波干涉仪可以给出等离子体的电子密度、 碰 撞频率以及这些参量的剖面分布等信息。激光法 用激光作为光源、激发源或探测器来诊断等离子体参量的方法。激光诊断的 优点是：对等离子体干扰小 ,空间分辨率和时间分辨率高 ,可诊断的等离子体电子密度范围宽（10 101019）厘米-3,温度范围大（104106开），特别是对非热平衡等离子体的诊断优于光 谱法等诊断方法。 因此激光诊断成为等离子体诊断， 特别是高温度、 高密度等离子体诊断的 主要手段。激光法有下述几种：激光干涉法 激光具有功率大、亮度高、单色性好、方向性强和偏

19、振度好等优点，是 十分优良的相干光源。 用它作马赫曾德尔干涉仪、 迈克耳孙干涉仪等一般光学干涉仪的光 源，可使干涉仪易于调节，使用方便。有些新型干涉仪其中作光源的激光器兼作探测器，因 而结构简单， 灵敏度高。 激光干涉法可以直接测量等离子体的折射率， 并确定等离子体的密 度和温度等参量。常用的激光干涉法如下： 标准干涉法 又称双光束干涉法。设备为马赫曾德尔干涉仪（原理如图10所示）。此法是将一束激光用半反射镜等分成两束相干光， 然后再使两束光汇合， 由于它们经过的光 程不同，产生相位差，形成明暗相间的干涉条纹， 称为背景条纹。 当其中一束光通过待测的 等离子体 （其光程与等离子体的折射率有关）

20、 同另一参考光束再汇合时， 会产生附加的光程 差，使干涉条纹发生变动。把干涉条纹和背景条纹进行比较， 读出条纹移动数目， 就能确定 等离子体的折射率。 根据等离子体折射率同电子密度的关系， 可推算出在光束经过的等离子 体长度内的平均电子密度。这种方法能诊断的等离子体电子密度下限约为1014厘米-3。 耦合腔干涉法 又称三镜片干涉法。设备为激光干涉仪（原理如图11 所示）。干涉仪中的反射镜 Ml和M2构成气体激光器的谐振腔；反射镜 M2和M3构成参考谐振腔，其中 放入待测的等离子体。激光器的光从 M2透射到参考腔，通过等离子体被 M3反射后又透过 M2回到激光器中。如果经过 M3反射的光和直接从

21、 M2反射的光是同相位的，则激光器输出 强度增加； 如果两者相位不同， 输出强度便减小。 因此当等离子体折射率变化（由等离子体 密度变化引起） 时， 激光器的输出强度被调制。光两次通过参考谐振腔，等离子体中的光程每改变二分之一波长就会使激光输出强度发生一个条纹的变化。在这种激光干涉仪中,干涉条纹的移动数 N 与等离子体折射率 n 的关系为：式中入为入射激光波长；L为激光通过的等离子体长度。激光器在激光干涉仪中既作光源，又作探测器，所以激光干涉仪结构简单，灵敏度高。 这种干涉仪能测定电子密度及其随时间的变化， 尤其适用于脉冲放电等离子体的诊断。 耦合 腔干涉法可以测量的电子密度下限通常约为10

22、13厘米-3，经改进后可达 1011）厘米 -3。 差拍干涉法将待测等离子体放入激光器的谐振腔内， 等离子体密度的变化引起光程的变化， 谐振腔的振荡模式也发生相应的变化， 从而又引起激光器输出频率的变化。 用差拍 技术或外差方法测定这种微小的频率变化， 就能确定等离子体的电子密度。 此法仅适用于测 量慢变化或稳态的等离子体， 并要求激光系统十分稳定。 此法可以测量的电子密度范围约为 1O10 1014 厘米-3。 双波长干涉法采用两束不同波长的激光同时通过待测等离子体， 产生两组不同波长的干涉条纹， 可同时测定等离子体中电子和原子两种组分的密度。 单波长干涉法只考虑电子 而忽略离子、 原子等重

23、粒子对等离子体折射率的影响。 如果要更准确地测定电子密度和原子 密度，则须采用双波长干涉法。激光散射法 此法可用来测定等离子体的电子温度、密度、离子温度及其空间、时间 分布。常用的方法如下： 汤姆孙散射法 强激光通过等离子体时， 如果散射光波长远小于德拜长度， 则激光散 射受单个电子无规热运动的影响， 而不受电子和离子整体运动的影响， 因而散射谱仅能反映 电子运动效应。 根据实验测出的散射谱的半宽度就能求出等离子体的电子温度。电子散射谱半宽度（半高度上的全宽度） ，可以分别用圆频率或波长表示如下：式中30为入射光圆频率；Zg为入射光波长；B为散射角；k为玻耳兹曼常数；Te为等 离子体的电子温度

24、； m 为电子质量； c 为真空光速。 集合散射法 强激光通过等离子体时， 如果散射光波长远大于德拜长度， 则激光散射主要受电子和离子整体运动的影响， 散射谱就能反映离子运动效应。 根据实验测出的离子成 分谱，就可以估算离子温度。由于散射截面十分微小（一般为1010厘米2的量级），而散射信号强度的量级仅为入射信号强度的 10，所以为了能够测出散射信号而且有较小的统计 误差， 必须采用大功率巨脉冲激光器作光源， 采用灵敏度高、 信噪比大、时间响应快的光探 测器作接受器。 喇曼散射法 强激光通过气体或等离子体时，有一部分散射光的频率会发生变化,出现频率为vAV勺谱线。频移 AV寸应于气体或等离子体

25、中的分子、原子系统的振动能量和 转动能量，由此可以获得原子、分子的振动温度、转动温度、密度和能级分布等。喇曼散射 光谱强度十分微弱， 用一般光源难以观测， 直到激光器出现后， 喇曼散射法才迅速发展起来。激光散射法的优点是能在不扰动等离子体的情况下，测定等离子体的局部参量,空间分辨率可以达到 0.5 毫米以下，时间分辨率可以达到几十纳秒。光谱法 利用等离子体的发射光谱或吸收光谱诊断等离子体温度、密度和化学组分等参量的方法。此法是在50年代初期由H.迈克等人较为系统地提出的，起初应用于天体物理和基础实验研究，后来又应用于航天环境模拟、化工冶炼、热加工和能源等方面的实验中。60 年代，开始用激光光谱

26、诊断法（吸收光谱法、荧光光谱法、喇曼光谱法、光声光谱法等） 对等离子体状态和输运性质进行实验研究。 下面只介绍较为常用的、 成熟的经典的光谱测量 温度的方法。通常的光谱法测温， 总是假定等离子体处于局部热力学平衡和光薄状态。 所谓局部， 应 理解为 宏观上足够小，微观上足够大 的区域。 宏观上足够小 系指等离子体虽在一个大区 域内处于非均匀态（例如各点的温度不一样） ,但如把大区域划分为若干个小区域 ,在每个足够小的区域中，温度、压力等又可近似看作是均匀的。微观上足够大 系指在每个宏观上足够小的区域里包含足够多可作统计估算的粒子。所谓光薄，应理解为等离子体相当稀薄,不存在自吸收作用 （ 自吸收

27、系指等离子体中原子或离子的辐射通过整个等离子区域时，被同一 元素的另一些原子或离子所吸收 ） 。 光谱法测量通常是通过测量谱线强度、 谱线的位移和加 宽或连续谱的强度来得到所要的等离子体参量。 光谱法测温可分为谱线加宽法、 相对强度法、 绝对强度法、谱线反转法、连续谱法、离轴峰值法等。谱线加宽法测温 谱线加宽的原因较多，但在加宽原因比较单一的条件下可采用这种 方法测温。谱线加宽法测温分为：多普勒加宽测温 只适用于粒子数密度较小、 低压、 稀薄气体的情况， 谱线加宽主要 是由多普勒效应引起的。多普勒加宽测温的公式为：12T = 1.95 X10 m （ &泊，式中T为热力学温度（开）;M为等离子

28、体气体分子量（克）; ?0为加宽谱线的中心波长（埃）； 1/2为所测加宽谱线轮廓的半宽度（图 12 ）。从上式可知， 温度愈高 ,多普勒加宽愈大 ,而在相同温度下 ,轻粒子的谱线加宽大于重粒子的，故此法常采用氢谱线作为测量线。在低温等离子体测温范围内，加宽量很小，仅为0.10.001埃，必须用高 分辨率光谱仪才能测定。 斯塔克加宽测温 外电场、等离子体的本身电场和变化电场都会引起谱线变宽或峰值 位移。此法适用范围是：电子数密度为1 014 1 018厘米-3 ，压力约一个大气压左右，温度为4410 2X10 开。相对强度法测温 此法是根据同类原子 （或离子 ）两谱线的辐射密度（或发射系数）之

29、比和温度的基本关系式推导出温度的，即式中为从高能级 i 向低能级 m 跃迁时 ,频率为 v 的辐射发射系数；为从高能级 j 向低能级 l 跃迁时 ,频率为 v 的辐射发射系数； A、 A 分别为从 i 能级向 m 能级和从j能级向I能级的自发跃迁几率；gi、gj分别为第i、j能级的统计权重；E, Ej分别 为第i、j能级的能量；k为玻耳兹曼常数，数值为1.380662 X 10 （焦耳/开）；T为激发温度； h 为普朗克常数； N0 为单位体积内全部原子 （或离子 ）数， 即粒子数密度； u 为原子 （或离子） 的微观状态和。实际上，由于等离子体源温度分布很不均匀（温度梯度高达每毫米几千开），

30、其热物理状态不能单用一个 温度 来表征，所以需要测量温度的空间分布。 常用的方法有空间扫描法、 光谱扫描法、局部区的光学隔离法等。用经典光谱仪测温常采用空间扫描法，其原理如图 13所示。图中的光场探头是由透镜Li和相干光导纤维束的一端组成的。它可在等离子体射流的轴向 和横向（x方向，垂直纸面向后）步进扫描，经相干光导束的弯曲传象，由透镜L2成像于光谱仪的入射狭缝上。分光后，在光谱仪焦平面上取出两谱线的辐射能量，经传光光导纤维束进入光电倍增管 PMT,由数字仪表显示记录。在轴对称电弧等离子体射流一侧测出的信息是实测方向辐射率的叠加效应。空间扫描法是基于测量等离子体一侧一系列横向的光谱辐射率， 通

31、过一定转换就可算出轴向位置不同的 各横截面上温度的径向分布， 并可绘出整个电弧等离子体射流的温度分布图。 选测的两谱线， 宜选用能级差较大的线对，以利于提高测试的精度。绝对强度法测温 此法测温的基本关系式为：，式中A、gi、u、Ei对确定的原子（或离子）有确定的数值，No可由萨哈方程和分压定律计算得到。因此，只要我们能测得某一谱线（例如氢离子、氮离子或氩离子谱线）的辐射 率，把它换算成为发射系数&就可计算出相应的温度。谱线反转法多用于 3000 开以下火焰透明等离子体温度的测量。连续谱法用于测量104开以上等离子体的温度。 但在这种高温条件下，产生连续谱的原因较多，难以确认，常会引起较大的测量

32、误差。离轴峰值法主要用于测量 2.6 X104开以上氩等离子体的温度和1.6 X104开以上的一次电离谱线。光谱法具有非接触测试的特点， 是低温等离子体诊断的重要方法之一。 其测试系统如配置微处理机，就可实现测试和数据处理过程自动化，并提高测试诊断水平。参考书目M. Venugopalan, ed., Reactionsunder Plasma Conditions,V .2,John Wiley &Sons,New York,1971.H.T. Richard, Spectroscopic Gas Temperature Measurement (Pyrometry of Hot Gases

33、 and Plasma),Elsevier ,Amsterdam,1966.W. Lochte-Holtgreven, ed., Plasma Diagnostics,North-Holland Pub.Co.,Amsterdam,1968.超高密度高温等离子体诊断是指离子数密度、温度范围分别为、的等离子体的各种物理参量的测量。在实验室 中，这类等离子体一般都是在高功率密度的激光或带电粒子束与靶物质相互作用的过程中产 生的，也称为惯性约束等离子体。这类等离子体的特点是尺寸小（10?m1cm），时间短（10ps100ns）,而且它包含有参量范围和物理特性差别很大的各种等离子体区，即冕区、 靶区和

34、中心的燃料区。 这就使得许多常规的等离子体诊断方法 （见等离子体诊断学） 在这里 不适用了，而必须采用许多具有高空间分辨（1?m1cm）和时间分辨1ps20ns特点的诊断方法，形成了等离子体诊断学中的独特领域。 惯性约束等离子体的诊断方法有： 测量从等 离子体内部发射出来的一切物质，包括各种频区的电磁辐射（这里主要是X射线）、电子、离子以及热核反应产物（中子、a粒子）等，以及主动地送入各种形式的探测束，例如紫外激光探测束、 X 射线探测束等 ,并根据它们与等离子体的相互作用，对等离子体进行诊断。 下文以激光爆聚等离子体为主要对象 , 对惯性约束等离子体中常用的诊断方法 ,作一简述。激光诊断 在

35、激光或粒子束与靶相互作用实验中，靶吸收入射束能量后，在靶的周围 产生一个密度较低的等离子体区， 通常称为冕层等离子体。 入射束能量的吸收和输运过程都 发生在冕区。因而，为了更好地了解束靶相互作用过程， 就需要细致地测量该区中电子密度 分布的细节。如等离子体诊断学所述， 干涉法或全息干涉法是测量等离子体电子密度的一种成功的方 法，它是利用相干的探测光束通过等离子体时，由于等离子体折射率（它与电子密度有关） 的变化所产生的相移来测量电子密度的。 与常规的实验室等离子体相比， 惯性约束的冕区等 离子体的密度仍较高，且密度梯度大，这就要求探测束的波长要十分短。此外，由于这类等 离子体密度的瞬态变化很快

36、， 它也要求探测束的脉冲宽度要足够窄。 例如， 在某些激光靶 相互作用实验中，利用主激光束（铷玻璃激光）的四倍频的紫外线束（波长2660 丁）作探测束，并用全息干涉法探测了冕区等离子体电子密度分布，它所测的电子数密度高达1027米-3，并观测到了临界层附近的密度梯度变陡，等密度面存在小尺度波纹等现象，这些测量 对束靶相互作用过程的理解起了重要的作用。X 射线诊断 惯性约束等离子体是个丰富的 X 射线源。在惯性约束等离子体实验中，靶 材料被入射束加热， 其温度可达约一百电子伏至几千电子伏； 而且， 当靶中含有聚变反应材 料（如氘、氚等，它们也称为燃料），并发生聚变反应时，靶可被加热达五十千电子伏

37、甚至 更高温度。因而，从靶发出的电磁辐射 ,大部分都落在 X 射线区。这些 X 射线辐射，特别是 其能谱、 空间和时间分布的数据， 与靶中所发生的物理过程， 特别是爆聚的动力学过程密切 相关，通过对它们的测量可以得到下列重要的信息： 由时间分辨的 X 射线连续谱的测量，可以测定靶中电子温度随时间的变化，并可以了解靶爆聚的动力学过程，求出靶爆聚的时间；此外，它与下述的X 射线空间分辨测量数据相结合，可间接地求出靶的平均爆聚速度。 利用X射线成像方法，通过时间分辨地记录爆聚等离子体X射线源的像，可对靶的压缩过程进行时、 空分辨的测量， 从而可以直接测量爆聚的速度， 并可获得有关爆聚对称性和 压缩状

38、况等重要数据。 通过空间分辨地测量靶元素所发射的X射线标识线辐射强度（或强度比），可得到靶等离子体的电子密度和电子温度的空间分布。 利用有意识地在燃料中掺入少量的杂质元素 ，通过高谱分辨和空间分辨地测量它们所发射的谱线轮廓，可以导出燃料区最后所达到的压缩密度和压缩尺寸。可见光和X 射线测量在超高密度高温等离子体诊断中占有十分重要的地位。 因此， 在惯性约束等离子体实验 中都装备了很多各种类型的 X 射线诊断仪器， 以求尽可能完整地获得靶发射的 X 射线的能 谱、空间和时间分布的数据。这样，发展各种类型的、高性能的X 射线诊断仪器，也成为惯性约束等离子体实验研究的重要课题。在惯性约束等离子体实验

39、中，时间分辨的X射线测量的主要工具是 X射线高速扫描照相 机，其工作原理基本上和光学的变像管式扫描照相机相同，它的分辨时间目前已达15ps，可用的能量范围是130keV。此外，也有用无窗快 X射线二极管做低能 X射线（能量小 于一千电子伏）的时间分辨测量，分辨时间已达 30ps，而且它在0.11.5keV范围内有较 平的响应曲线。X射线能谱测量仪器主要有两类，一类是多道K边滤光片X射线谱仪，用来测量宽能谱范围的X射线连续谱。它是利用不同元素在各自的K吸收边附近对X射线具有带通透射的特性,以及X射线连续谱和探测器的谱响应随能量而单调下降的特性，以获得不同道的谱窗。另一类谱测量仪器是 X射线布喇格

40、晶体谱仪，它能高分辨地测量X射线线谱及其轮廓。常用的X射线成像仪器有：针孔照相机、掠射X射线显微镜和菲涅耳波带片。它们也是天文学中 X射线观测所常用的仪器。针孔成像是一种古老而简单的成像方法，它是利用 光线近似直线传播的原理成像的。掠射式X射线显微镜是利用媒质表面对于掠射角小于临界角的X射线具有全反射的特性，制成各种类型聚焦的反射镜，用来对X射线源成像。菲涅耳波带片编码照相是一种两步成像技术。 它的关键成像部件是菲涅耳波带片， 这是由一系 列等面积的透明和不透明交替的环形带所组成的。其成像的第一步是源所发出的X 射线通过波带片在适当的成像平面上形成重叠的阴影图分布； 第二步是用平行的相干光照射

41、所得到 的阴影图，它的透射光的菲涅耳衍射图在适当的空间内， 重现了原辐射源的三维分布的实像。 这类X射线成像仪器的空间分辨率已达3?m。热核反应产物测量 当靶被加热和压缩时，靶的性能的一个重要标志是燃料区产生了 聚变反应，并释放出大量的中子、a粒子和质子等反应产物。这些聚变反应产物的测量可以给出燃料在加热和压缩期间所达到的各种物理参量 , 如离子温度、密度以及面质量密度 PR （其中p是燃料区压缩后所达到的质量密度，R是燃料球压缩后所达到的半径）等。聚变反应产物测量主要包括中子、 a 粒子的产额、能谱分布和反应区的成像测量。中 子产额和能谱的测量是比较直截了当的， 从这些测量可以求出燃料的离子

42、温度 （见等离子体 诊断学）。与此类似，从聚变反应产生的 a 粒子的产额和能谱的测量，也能获得燃料的离 子温度。与常规的中子、 a 粒子能谱测量不同的是，由于这里的反应区体积小，反应时间 极短，中子和 a 粒子几乎是从同一地点瞬时地产生和发射的，因而特别适合于用飞行时间 法测量它们的能谱。此外，利用针孔照相或波带片编码照相的方法， 可以高分辨地测量中子 和a粒子源的空间分布，并由此可以获得燃料压缩后的尺寸，质量面密度和压缩的对称性 等重要信息。但当燃料区达到较高的压缩密度时，a 粒子难以从中逃逸，这时可用中子活化分析测量燃料区压缩后的pR值。它是将少量的待活化的原子均匀地掺入燃料或靶壳中，利用

43、它们与热核中子的核反应而产生的放射性同位素的数目（它与pR值成正比），来间接地推算燃料区的pR值。X射线探针当靶等离子体的密度较高、温度较低时，靶自辐射的X射线强度较弱，难以用X射线自辐射进行诊断，这时，就需要借助于外 X射线源所产生的强的线或带辐射， 对这类靶的动力学过程进行诊断。它是利用靶在强的X射线背景辐照下所产生的阴影进行成像测量的，故有时也称为X射线背景照明诊断，或X射线阴影照相。X射线探针系统包括 有外X射线源、X射线成像仪器和记录仪器或介质。物质的这一新的存在形式是经气体电离产生的由大量带电粒子（离子、电子）和中性粒子（原子、分子）所组成的体系，因其总的正、负电荷数相等，故称为等

44、离子体。继固、液、气三 态之后列为物质的第四态之所以把等离子体视为物质的又一种基本存在形态，是因为它与固、液、气三态相比无论 在组成上还是在性质上均有本质区别。 即使与气体之间也有着明显的差异。 首先， 气体通常 是不导电的， 等离子体则是一种导电流体而又在整体上保持电中性。其二， 组成粒子间的作用力不同， 气体分子间不存在净电磁力， 而等离子体中的带电粒子间存在库仑力， 并由此导 致带电粒子群的种种特有的集体运动。 第三， 作为一个带电粒子系， 等离子体的运动行为明 显地会受到电磁场的影响和约束。 需说明的是， 并非任何电离气体都是等离子体。 只有当电 离度大到一定程度， 使带电粒子密度达到

45、所产生的空间电荷足以限制其自身运动时， 体系的 性质才会从量变到质变， 这样的 “电离气体 ”才算转变成等离子体。 否则， 体系中虽有少数粒 子电离， 仍不过是互不相关的各部分的简单加合， 而不具备作为物质第四态的典型性质和特 征，仍属于气态。二 产生等离子体的常用方法和原理产生等离子体的方法和途径多种多样，涉及许多微观过程、物理效应和实验方法，如图 1 所示。 其中，宇宙天体及地球上层大气的电离层属于自然界产生的等离子体。 在等离子体化 学领域中常用的产生等离子体的方法主要有以下几种：1. 气体放电法在电场作用下获得加速动能的带电粒子特别是电子与气体分子碰撞使气体电 离，加之阴极二次电子发射

46、等其他机制的作用，导致气体击穿放电形成等离子体。按所加的电场不同可分为直流放电、 高频放电、微波放电等。 若按放电过程的特征划分，则 可分为电晕放电、辉光放电、电弧放电等。辉光放电等离子体属于非平衡低温等离子体，电 弧放电等离子体属于热平衡高温等离子体。 就电离机制而言， 电弧放电主要是藉弧电流加热 来使中性粒子碰撞电离， 实质上属高温热电离。 目前， 实验室和生产上实际使用的等离子体 绝大多数是用气体放电法发生的，尤其是高频放电用得最多。2. 光电离法和激光辐射电离藉入射光子的能量来使某物质的分子电离以形成等离子体。条件是光子能量必须大于或等于该物质的第一电离能， 例如碱金属铯的第一电离能最

47、小， 只需要 用近紫外光源照射就可产生铯等离子体。激光辐射电离本质上也属光电离，但其电离机制和所得结果与普通的光电离法不大相同。 不仅有单光子电离， 还有多光子电离和级联电离机制等。 就多光子电离而言， 是同时吸收许多个光子使某物质的原子或分子电离的。例如红宝石激光的波长为0.69 um单光子能量只有 1.78eV 。对于氩原子来说，只吸收一个光子不可能产生电离，但同时吸收 9 个光子可实 现电离。 因此利用红宝石激光器辐射氩气完全可以产生氩等离子体， 而用同样波长的普通光 照射则不可能得到氩等离子体。 激光辐射法的另一特点是易于获得高温高密度等离子体。 值 得注意的是， 近年来激光等离子体在

48、化学领域的应用呈明显上升趋势， 如激光等离子体化学 沉积等。3. 射线辐照法用各种射线或者粒子束对气体进行辐照也能产生等离子体。例如用放射性同位素发出的a伙丫射线，X射线管发出的X射线，经加速器加速的电子束、离子束等。a粒子是氦核He2+，用a射线发生等离子体相当于荷能离子使气体分子碰撞电离。B射线是一束电子流，它引起的电离相当于高速电子的碰撞电离。对丫射线、X射线来说，只需令射线能量 UR=hv ，显然可视为光电离。至于电子束和离子束，也都是藉已经加速的荷能粒子 使气体分子碰撞电离的， 但由于粒子束的加速能量、 流强、 脉冲等特性可加以控制而显示出 许多优点。4. 燃烧法这是一种人们早就熟悉

49、的热致电离法，借助热运动动能足够大的原子、 分子间相互碰撞引起电离，产生的等离子体叫火焰等离子体。5. 冲击波法是靠冲击波在试样气体中通过时，试样气体受绝热压缩产生的高温来产生等离子体的，实质上也属于热致电离，称为激波等离子体。三 等离子体化学的特点在物理学界发现物质第四态之前，化学家便知道气体放电会发生某些特殊的化学反应。如早在 1758 年就曾探测出空气火花放电能生成臭氧； 1785 年利用常压气体放电制备了氧化 氮等。但是在很长时期内并未从新物态角度探索其对化学的广泛意义。直到本世纪 60年代，由于发展高技术的迫切需求才引起人们对等离子态的关注，以致等离子体化学(plasmachemis

50、try)这一术语到1967年才最初出现在书名上。由于等离子体含有离子、电子、激发态原子、分子、自由基等这些极活泼的化学反应物种， 使它的性质与固、液、气三态有本质的区别，并表现出许多特点。第一个特点是等离子体化学反应的能量水平高 据其中的离子温度与电子温度是否达到热 平衡， 可把等离子体分为热平衡等离子体和非平衡等离子体。 在热平衡等离子体中， 各种粒 子的温度几乎相等，约可达5X1032X104K。如此之高的温度既可作为热源进行高熔点金属的熔炼提纯， 难熔金属、 陶瓷的熔射喷涂； 也可利用其中的活性物种进行各种超高温化学 反应，如矿石、化合物的热分解还原、高熔点合金的制备、超高温耐热材料的合

51、成等。通常物质在 “三态 ”下进行数千度以上的高温反应是极其困难的，仅反应器的材质就很成问 题。等离子态则不同， 这是因为等离子体与任何容器并非直接接触，二者之间会形成一个电中性被破坏了的薄层，即等离子体鞘， 使高温不会直接传导给器壁。还可用电磁场来约束等离子体，加之冷却手段的运用等，即便是数万度的高温反应在技术上也易于实现。在非平衡等离子体中也能进行高能量水平的化学反应。这时反应主要靠电子动能来激发，实际工作中电子动能大多为1 10eV;若折算成温度（1eV相当于11600K），则电子温度高达104 105K，而离子温度不过几百度乃至接近室温。第二个特点就是能够使反应体系呈热力学非平衡态在辉

52、光放电条件下，物质只部分电离， 存在大量的气体分子。 又由于电子质量远比离子的小， 整个体系的温度取决于分子、 离子等 重粒子的温度。 这样一来尽管电子能量很高， 可激活高能量水平的化学反应， 反应器却处于 低温。已应用于高温材料的低温合成，单晶的低温生长，半导体器件工艺的低温化等过程。 非平衡态的意义还在于克服热力学与动力学因素的相互制约。典型的例子是静高压法人工合成金刚石。 按热力学分析只要压力适当， 石墨转变成金刚石在低温下并非不能自发进行， 问 题在于反应速率太低， 以致必须提供苛刻的高温高压条件。 若借助非平衡等离子体， 情况就 不同了。例如用微波放电把适当比例的 CH4 和 H2

53、气激发成等离子体，便可在低于1.0133 X04Pa, 800900 C条件下以相当快的生长速率（1卩m/h人工合成金刚石薄膜。四 等离子体化学的应用鉴于物质第四态组成粒子的多样性，反应基础过程的特异性，等离子体与固体表面（反应 器壁、电极、待加工处理的物质等）相互作用的复杂性，基础研究内容相当宽广，应用课题 不断涌现。以下介绍几个主要应用领域。1. 在无机合成和材料科学上的应用就工艺而言，用得较多的有等离子体化学气相淀积（PCVD ）和等离子体化学气相输运（ PCVT ）、反应性溅射、磁控溅射、离子镀等。就合 成物质的种类、 结构和性能而言， 用这些新工艺可以制备各种单质、 化合物， 可以制

54、成单晶、 多晶、非晶；可以给所制的材料赋予光、电、声、磁、化学等各种功能；研究成各种半导体 材料、光学材料、磁性材料、超导材料、超高温耐热材料等。其种类和数量不胜枚举，这里 仅举两例。一个例子是非晶硅（ a-Si ）太阳能电池的大规模廉价生产。单晶硅太阳能电池虽研制较早， 在卫星、宇航等方面已成功应用，但其制造工艺复杂，成本太高，不可能大量民用。相比之 下，非晶硅太阳能电池却后来居上，自 80 年代初开始已大量作计算器、收音机电源等迅速 商品化。之所以如此，得益于两个重要突破：其一是1975 年由 W.E.Spear 教授等研究发现可以对非晶硅进行价电子控制；其二便是 PCVD 工艺的应用实现

55、了非晶硅太阳能电池的廉 价大面积自动化生产，其典型装置如图2 所示。用 PCVD 工艺生产一般是以硅烷 SiH4 为主要原料，辉光放电形成等离子体。单独用 SiH4 放电时反应生成的是 i 型非晶硅半导体层。若在 SiH4 中掺入少量 B2H6 便生成 p 型层，改 掺少量 PH3 则生成 n 型层。显然，只需切换输入反应室的放电气体种类并控制掺杂量就能 连续制成非晶硅太阳能电池的 pin 结构，不仅适于大规模连续自动化生产，还有其他许多优 点：八、（1）光电转换效率高。据核算，转换效率须在8以上才有商业性生产价值，目前实际批量生产已达 10 12，研制水平则超过 15。（2）省资源、省能源、

56、原料便宜、成本低。这种太阳能电池所需的非晶硅膜厚总共还不到1 ym,反应室温度只约 300Co由于是非晶膜，可用玻璃、不锈钢片之类的廉价材料作基片， 原料气体显然也很便宜，因此成本大大降低。（3）膜质稳定经久耐用。通常可用 20年，光电转换效率尚可保持在初始值的95%以上。在上述大规模廉价生产基础上， 80年代中期又将其与瓦一体化，研制成功太阳能电池瓦。铺上该瓦，房顶就成了发电站。发的电可自给有余，并网输电。从技术角度来看，则是利用 等离子体等新技术解决了在大型曲面上均匀制备功能材料薄膜及器件工艺中的一些难题。1986 年发现复合氧化物高第二个例子是超导薄膜的研制。诺贝尔奖得主贝德诺尔兹和米勒

57、温超导体后， 立即在世界范围内掀起一场超导热。 随之由于超灵敏探测器、 约瑟夫森器件等 诱人的应用前景， 超导薄膜的研制受到各国学者的广泛重视。 等离子体工艺作为优良的制膜 技术被普遍采用， 我们也曾用高频磁控溅射法先后研制成 YBa2Cu3O 和 Bi-Sr-Ca-Cu-O 系超 导薄膜。前者零电阻温度达78.3 K，后者为42 K。2. 在分析化学上的应用主要有等离子体光谱和有机试样的低温灰化法等。 这里仅介绍一下等离子体光谱。等离子体光谱是以等离子体作光源的光谱分析法。等离子体是发光的，实质上是其组成粒 子运动状态变化时的能量跃迁， 称为等离子体辐射。 根据辐射特征谱线的波长和强度即可进

58、 行定性定量分析。这种光源用气体放电法产生，按施加的电场不同可分为三大类：(1)直流等离子体光源，简称 DCP( 2)高频等离子体光源。按耦合方式不同又可分为两种，即 电感耦合高频等离子体炬(ICP)和电容耦合高频等离子体炬(CCP)(3)微波等离子体光源。也可分为电感耦合型(MIP )和电容耦合型(CMP )两种。 以上几种等离子体光源中ICP的分析性能最好，也是目前用得最多的一种。图3为ICP光源概略图，它是一支同轴的石英三管炬。三层套管中都通 Ar 气，但气流量和作用不同。外管中 的 Ar 气流量最大，是发生工作等离子体的主气源。中间管中的 Ar 气流量较小。起辅助作 用，使发生的等离子

59、体向上稍稍隆起。中心管中的 Ar 气是载气，用它把试样溶液气溶胶化 并导入等离子体区。当管外的感应线圈中通入高频电流时，便会产生高频电磁场使Ar 气放电产生等离子体。等离子体具有趋肤效应， 加上空气动力学因素的作用， 在三管炬顶部形成中空的环状等离子体 结构， 外观呈炽烈的火焰状， 各高度处的温度分布如图 3 中所示。 这种环状结构的中央部分 等离子体密度较低， 让样品气溶胶正对着这一区域导入则阻力较小， 可溶入等离子体区内部 得到有效离解、激发或电离。与经典的光谱分析相比 ICP 有许多优点：( 1)光源稳定，再现性好，克服了长期以来对于 固体标样的依赖。( 2)检出限低，一般可达 ppb(

60、 10 亿分之 1)级。( 3)工作曲线的线性 范围广，可达 56 个数量级。( 4)测定精度远比经典发射光谱法高。(5)应用面广，分析速度快。几乎可分析周期表中的所有元素，还能同时进行多元素分析。若与多通道 光电光谱仪及计算机联用，其分析速度极快，分析 30个元素只需一分钟。因此， ICP 已经 广泛地用于化工、冶金、地质、农业、医学、环保、地球化学等许多领域，成为当今较为理 想的分析方法之一。3. 在高分子科学上的应用等离子体技术在高分子科学上的应用发展很快， 涉及面广， 大致可分为三个方面：（ 1）等离子体聚合；（ 2）等离子体引发聚合；（ 3）高分子材料的等离是一种新型聚合法。 用这种

61、子体表面改性。 其中，等离子体聚合是把有机单体转变成等离子态，产生各类活性物种，由活性物种相互间或活性物种与单体间发生加成反应来进行聚合，方法易于对聚合物赋予各种功能，特别适合于研制功能高分子。例如电子器件、 传感器用的导电高分子膜，集成电路用的光刻胶膜及气体分离膜等。等离子体引发聚合是把等离子体辐射作为能源对单体作短时间照射， 然后将单体置于适当温 度下进行聚合， 是一种不需要引发剂的新聚合法， 适于合成超高分子量聚合体或单晶聚合体， 进行接枝聚合、嵌段聚合、无机环状化合物开环聚合、固定化酶等。高分子材料的等离子体表面改性是利用非聚合性气体的辉光放电， 改变待加工材料的表面结 构，控制界面物

62、性或进行表面敷膜。 可用来提高塑料的粘接强度， 改善棉、 毛等天然纤维的 加工性能，如浸润性、丝纺性、耐磨性、色牢度等，也可用于表面杀菌。4. 在半导体器件生产上的应用等离子体化学在半导体领域取得了许多应用成果， 最具代表性的莫过于超大规模集成电路制造工艺上的技术进步。大规模集成电路的集成度年年都在飞跃发展。 例如动态随机存取存储器 （ DRAM ）已从 1980 年的 64 千位发展到 90 年代初的 256 兆位水平。 结构尺寸越来越微细， 图形线幅小至亚微米 量级，使一些传统工艺不可能再满足技术要求。 这便持续不断地促进着等离子体技术的开发 利用，从60年代起至今已经形成一整套 “全干法

63、工艺 ”，包括等离子体氧化、等离子体聚合、 等离子体显影、 等离子体蚀刻、 等离子体除胶等。 为大规模集成电路的更新换代提供了可靠 的技术基础。从化学的角度来看，实现了许多工艺革新。例如，在传统的湿法工艺中，为了 在曝光显影后的 Si 片上腐蚀出图形是采用酸配方， 但这种工艺往往引起严重的 “钻蚀 ”现象， 影响微细图形的保真度， 重现性差， 成品率低，已根本不能满足高集成度器件的要求。 等离 子体蚀刻则是一种干法工艺，把 CF4 之类的气体导入反应器放电产生等离子体，由生成的 高活性氟原子与 Si 反应来达成蚀刻目的。体系的状态及腐蚀机制都与湿法工艺截然不同。布胶、曝光、显影、除胶等也都涉及许多化学问题，工艺上的共同点是干法化、低温化、省 资源、省能源，适于大规模自动化生产。综上所述，等离子体化学已经在许多领域取得了丰硕的应用成果。我国自70 年代以来有关等离子体化学的科研课题不断涌现；从