等離子體應(yīng)用（等離子體應(yīng)用）

內(nèi)容簡介

等離子體的應(yīng)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(xué)基團(tuán)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(qiáng)度、磁場強(qiáng)度、電極結(jié)構(gòu)、氣流、放電容器等。⑥各種因素的作用時(shí)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(yīng)用。主要有高溫等離子體應(yīng)用、熱等離子體應(yīng)用、冷等離子體應(yīng)用三大類。

高溫等離子體應(yīng)用　高溫等離子體的溫度為 102～104電子伏（1電子伏相當(dāng)于

①為氘-氘(

②為氘-氚(

由聚變反應(yīng)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(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)熱核聚變反應(yīng)，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(shí)，它還必須有很高的粒子密度和足夠長的約束時(shí)間。這樣，氘核之間才得以發(fā)生充分的核反應(yīng)，放出足夠的能量。由于熱核聚變反應(yīng)堆本身有一定的能量損失，因而，要實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)，需首先求得整個系統(tǒng)不耗電情況下維持運(yùn)行的條件，即得失相當(dāng)?shù)臈l件，通常稱為勞孫判據(jù)。

對氘-氘反應(yīng)　

對氘-氚反應(yīng)　

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(shí)間。

20世紀(jì)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(dá)到上述條件。

磁約束 　由于熱核聚變反應(yīng)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(qiáng)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(yīng)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(yàn)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(dāng)原邊線圈通過電流時(shí)，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(yùn)行一定時(shí)間。

慣性約束

利用強(qiáng)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(shí)間內(nèi)，由于慣性的作用，在靶丸還來不及擴(kuò)散時(shí)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(yīng)。研究人員正朝實(shí)現(xiàn)勞孫判據(jù)的條件努力。

熱等離子體應(yīng)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(jī)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(fù)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(yùn)行時(shí)間不長，約 100小時(shí)。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(jìn)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(diǎn)是可以加熱各種氣體（包括活性的或腐蝕性的氣體），進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)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(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。另外的加工方式如圖2b、2c所示。圖2b中，氣體（

主要應(yīng)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(diǎn)的鋯 (

冷等離子體應(yīng)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(xué)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(jī)及無機(jī)化合物進(jìn)行各種反應(yīng)。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(yīng)的高分子化合物。如由

等離子體聚合

反應(yīng)

在適合的條件下，差不多所有有機(jī)化合物都能通過等離子體進(jìn)行聚合。一般用光化學(xué)或自由基引發(fā)的氣相聚合只限于乙烯基的有機(jī)化合物。除非單體分子含有“極化團(tuán)”，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(yàn)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(jìn)行氮、碳、硼或碳氮的滲透。這種方法的特點(diǎn)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(yīng)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(yīng)用：大規(guī)模集成電路片心的生產(chǎn)工藝，過去采用化學(xué)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(xué)濕法改為等離子體干法，使工藝更簡單，便于實(shí)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(hù)電子元件，用等離子體沉積導(dǎo)電膜可保護(hù)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(xué)工業(yè)、光學(xué)等方面有許多應(yīng)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)度得到加強(qiáng)。原因可以是聚合物表面的交聯(lián)加強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)化聚合物與聚合物的粘附。例如玻璃絲加強(qiáng)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(qiáng)233%。聚酯輪胎線經(jīng)過等離子體處理(如