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等离子体技术

浏览数:600 发布于:2021-03-08

什么是等离子体技术

等离子体是物质除气态、液态以及固态以外的第四种形态,其由阳离子、中性粒子、自由电子等多种不同性质的粒子所组成的电中性物质,其中阴离子(自由电子)和阳离子分别的电荷量相等,这就是物理学上所谓“等离子”。

自然界中常见的等离子体包括闪电、极光、日冕等。人工等离子体则通常是通过对气体外加高压电源,使超过临界数量的电子脱离原子核,产生电离后得到的。等离子体和气体一样,形状和体积不固定,会依着容器而改变。等离子体有接近完美的导电率,会在磁场的作用下,显现出各种三维结构,例如丝状物、圆柱状物和双层等。

等离子体和气体有以下若干不同之处

电导率:气体的电导率非常低,例如空气是良好的绝缘体,但在电场强度超过 3*10^6 V/m时会分解成等离子体。而等离子体的电导率通常非常高,在许多应用中,可假设等离子体的电导率为无限大。

粒子的多样性:气体通常只有单一一种粒子,所有气体粒子的行为类似,都受重力及其他粒子碰撞的影响。而等离子体则有2至3种不同性质的粒子,例如电子、离子、质子和中子,这些不同性质的粒子可以以其电荷的正负和大小来区别,并会有不同的速度和温度。这能产生一些特殊的波和不稳定性。

电极放电产生等离子体

速度分布:气体的粒子碰撞会使气体的诸粒子的速度符合麦克斯韦-玻尔兹曼分布,其中速度较高的粒子非常少。而有一定电离度的等离子体的诸粒子并不经常碰撞,因此以碰撞形式表现的相互作用不显著,另外外力的出现也会导致等离子体远远偏离局部平衡,并产生一组速度特别高的粒子,所以麦克斯韦-玻尔兹曼分布并不适合用来描述等离子体诸粒子的速度分布。

粒子间的相互作用:气体的诸粒子的相互作用只局限于两颗粒子之间,而且是以碰撞的形成表现,三颗粒子间的碰撞是极为罕见的。而等离子体的诸粒子可以集体互动,在较大的距离上通过电磁力相互影响,所以会产生波以及其他有组织性的运动。

处于等离子状态的物质具有高而不稳定的能量水平。如果等离子接触到固体材料,其能量将作用于固体表面,并导致物体表面的重要性质(如表面能量)发生变化。在各项制造应用领域,可以利用等离子体这一特点对材料的表面进行特定的更改,从而实现表面清洗、活化、防腐等功能。在薄膜沉积领域,等离子增强技术已经广泛应用于化学气相沉积、原子层沉积等领域,大幅拓宽了可沉积材料的范围,并能够实现更适合工业生产所需的低温、高速沉积工艺。


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