等離子體應用（等離子體應用）

內(nèi)容簡介

等離子體的應用取決于它的性質(zhì)和狀態(tài)。等離子體的性質(zhì)常取決于以下因素：①等離子體的組分，如原子、分子、離子、電子、化學基團等。②粒子所處的狀態(tài)，如中性態(tài)、激發(fā)態(tài)、電離態(tài)、活化的分子及自由基。③各種粒子數(shù)密度，即單位體積中的粒子數(shù)。④各種粒子的溫度。如果電子和離子的溫度相等，稱為平衡態(tài)等離子體；反之，是非平衡態(tài)等離子體。⑤等離子體所處的環(huán)境，如電場強度、磁場強度、電極結(jié)構(gòu)、氣流、放電容器等。⑥各種因素的作用時間。

人工等離子體的溫度大約為103～108開，電子數(shù)密度約為108～1021/厘米3，電流為毫安～兆安數(shù)量級，氣體壓力為百帕～百千帕，放電頻率從直流到微波，這些參量決定了等離子體的不同應用。主要有高溫等離子體應用、熱等離子體應用、冷等離子體應用三大類。

高溫等離子體應用　高溫等離子體的溫度為 102～104電子伏（1電子伏相當于

①為氘-氘(

②為氘-氚(

由聚變反應產(chǎn)生的粒子具有很高的能量，將這種能量轉(zhuǎn)化為熱能可用于發(fā)電。核聚變發(fā)電具有清潔、價廉的優(yōu)點。尤為重要的是，其燃料氘來源于海水，全世界氘的貯量可供人類享用百億年，這是任何其他能源都無法與之相比的。

為了實現(xiàn)熱核聚變反應，等離子體必須要有很高的溫度，才能使氘核具有足以克服氘核間的庫侖排斥力的巨大動能；同時，它還必須有很高的粒子密度和足夠長的約束時間。這樣，氘核之間才得以發(fā)生充分的核反應，放出足夠的能量。由于熱核聚變反應堆本身有一定的能量損失，因而，要實現(xiàn)聚變反應，需首先求得整個系統(tǒng)不耗電情況下維持運行的條件，即得失相當?shù)臈l件，通常稱為勞孫判據(jù)。

對氘-氘反應　

對氘-氚反應　

其中T為等離子體溫度,n為等離子體中氘核的密度,τ為等離子體約束時間。

20世紀80年代，熱核聚變主要采用磁約束和慣性約束兩種方法來達到上述條件。

磁約束 　由于熱核聚變反應的等離子體溫度極高，常規(guī)的容器都無法耐受，并將造成很大的熱能損失。利用強磁場把高溫等離子體約束在一定空間內(nèi)，使之與容器壁隔開，維持其高溫和高密度狀態(tài)。屬于磁約束方法的聚變反應裝置有托卡馬克（見圖）、磁鏡、仿星器等，其中托卡馬克裝置上的試驗數(shù)據(jù)最接近勞孫條件。它有一個類似于變壓器的鐵心，原邊為一線圈，副邊就是放電室中的等離子體。當原邊線圈通過電流時，等離子體中產(chǎn)生很大電流，以加熱等離子體。沿環(huán)形放電室設(shè)置了許多同軸線圈以約束高溫等離子體，使之持續(xù)穩(wěn)定地運行一定時間。

慣性約束

利用強激光束或粒子束轟擊毫米量級的氘-氚(DT)靶丸，在納秒級的短時間內(nèi)，由于慣性的作用，在靶丸還來不及擴散時就被加熱到很高溫度、壓縮到很高密度從而引起熱核聚變反應。研究人員正朝實現(xiàn)勞孫判據(jù)的條件努力。

熱等離子體應用

熱等離子體的溫度為0.1～4電子伏，電流為1～100安及以上。這類等離子體處于熱平衡態(tài)，電弧、等離子體炬屬于這一類。主要用于難熔金屬冶煉、機加工等。

熱等離子體發(fā)生裝置 　可采用直流、交流或射頻電源。圖1為幾種不同裝置示意。圖1a中，同軸旋轉(zhuǎn)的氣流吹入氣室，在水冷的正極（+）和負極（-）之間形成電弧。溫度為8000～30000開，功率為20～75千瓦，熱效率為55～85%。由于電極的燒蝕，這種裝置的運行時間不長，約 100小時。如果需要向工件（需熔化的金屬）輸入更多的能量，可以用圖1b的方式，用工件本身作正極。圖1c結(jié)構(gòu)可用于陶瓷的熔解。由輔助直流炬噴出氣流，再由同軸三相交流電對等離子體繼續(xù)加熱。熱等離子體射流進入旋轉(zhuǎn)離心爐，與壁材料相互作用，使其熔化。圖1d是高頻 (0.5～15兆赫)無電極的等離子體裝置。電能通過線圈耦合到等離子體。它的優(yōu)點是可以加熱各種氣體（包括活性的或腐蝕性的氣體），進入化學反應的雜質(zhì)少，熱電轉(zhuǎn)換效率高。但是比較貴。

加工方式

熱等離子體與工件相互作用的方式有幾種。其中的一種如圖2a所示。這種加工方式所用的是比較老式的等離子體爐，上面產(chǎn)生的等離子體弧直接作用在下面的工件上，使它熔化，進行化學反應。另外的加工方式如圖2b、2c所示。圖2b中，氣體（

主要應用

熱等離子體主要用于以下 3方面。①等離子體冶煉：用于冶煉用普通方法難于冶煉的材料，例如高熔點的鋯 (

冷等離子體應用

冷等離子體的電子溫度比離子溫度高，分別為10電子伏及以下和室溫，主要用于化學合成、材料表面改性和大規(guī)模集成電路的刻蝕。

冷等離子體發(fā)生裝置

采用直流、交流、射頻及微波電源。圖3為幾種裝置示意。圖3a是滲氮或滲碳裝置，氣體（

等離子體合成

等離子體可促使有機及無機化合物進行各種反應。①由氫化合物、揮發(fā)性鹵化合物、氟碳化合物、氟氮化合物生成相應的高分子化合物。如由

等離子體聚合

反應

在適合的條件下，差不多所有有機化合物都能通過等離子體進行聚合。一般用光化學或自由基引發(fā)的氣相聚合只限于乙烯基的有機化合物。除非單體分子含有“極化團”，也只能得到低分子量的聚合物，如苯乙烯、丙烯腈、甲異丙醇酮等在氣相中都不能聚合，除非它們先經(jīng)過光敏化。相反地，等離子體聚合則不限于乙烯基類的單體，它包括普通方法不能聚合的一些單體分子。①等離子體聚合飽和的脂肪族烴。電子碰撞單體分子，產(chǎn)生活性粒子，主要是自由基，其次是離子及被激勵的分子。它們彼此之間或與中性分子相互作用，形成聚合物。等離子體聚合飽和烴的沉積率(Rp)經(jīng)驗公式是

式中P為輸入功率,p為氣壓,F為單位流量,K為常數(shù)。②等離子體聚合芳香族烴。在苯的射頻等離子體中主要的活性粒子是H、

表面工藝

主要用于以下兩方面。

①等離子體表面處理：為了提高刀具、模具等的性能，可以用等離子體對金屬表面進行氮、碳、硼或碳氮的滲透。這種方法的特點是，不是在表面加一覆蓋層，而是改變基體表面的材料結(jié)構(gòu)及其性能。處理過程中，工件溫度比較低，不使工件變形，這對精密的部件很重要。這一方法可以應用于各種金屬基體，主要有輝光放電滲氮，氮碳共滲，滲硼。

②等離子體在電子工業(yè)中的應用：大規(guī)模集成電路片心的生產(chǎn)工藝，過去采用化學方式，采用等離子體方法代替之后，不僅降低了工藝過程中的溫度，還因?qū)⑼磕z、顯影、刻蝕、除膠等化學濕法改為等離子體干法，使工藝更簡單，便于實現(xiàn)自動化，提高成品率。等離子體方法加工的片心分辨率及保真度都高，對提高集成度及可靠性均有利。

等離子體沉積薄膜

用等離子體聚合介質(zhì)膜可保護電子元件，用等離子體沉積導電膜可保護電子電路及設(shè)備免遭靜電荷積累而引起損壞，用等離子體沉積薄膜還可以制造電容器元件。在電子工業(yè)、化學工業(yè)、光學等方面有許多應用。①等離子體沉積硅化合物。用

等離子體用于材料表面改性

主要有以下幾個方面：①改變潤濕性（又稱浸潤性）。一些有機化合物表面的潤濕性對顏料、墨、粘結(jié)劑等的粘結(jié)性，對于材料表面的閃絡(luò)電壓及表面漏泄電流等電性能，都有很大的影響。衡量潤濕性的量稱為接觸角。表1中列出一些材料的不同處理對接觸角的影響。②增強粘附性。用等離子體活化氣體處理一些聚合物及金屬之后，可使材料與粘附劑的結(jié)合強度得到加強。原因可以是聚合物表面的交聯(lián)加強了邊界層的粘附力；或是等離子體處理過程中引入了偶極子而提高了聚合物表面粘附強度；也可能是等離子體處理消除了聚合物表面的污層，改善了粘附條件。電暈處理也有同樣效果。表2列出一些聚合物與金屬粘附的結(jié)果，等離子體處理的效果明顯。③強化聚合物與聚合物的粘附。例如玻璃絲加強的環(huán)氧樹脂用氦等離子體處理后，與硫化橡膠的粘附增強233%。聚酯輪胎線經(jīng)過等離子體處理(如