1等离子体基本原理1

1.1等离子体概念1

1.1.1物质的三态变化2

1.1.2物质第四态——等离子体2

1.2等离子体特征和等离子体判据3

1.2.1等离子体的整体特性3

1.2.2等离子体的准电中性3

1.2.3等离子体鞘层4

1.2.4等离子体扩散过程5

1.2.5等离子体辐射5

1.3等离子体的特征量及等离子体判据7

1.3.1粒子密度和电离度7

1.3.2电子温度和离子温度7

1.3.3沙哈方程8

1.3.4等离子体的时空特征限量8

1.3.5等离子体判据8

1.4等离子体的分类9

1.4.1按存在分类9

1.4.2按电离度分类9

1.4.3按粒子密度分类9

1.4.4按热力学平衡分类10

1.5等离子体的应用10

1.5.1等离子体物理10

1.5.2等离子体化学10

1.5.3等离子体工程13

1.5.4等离子体工业应用实例13

参考文献13

2等离子体化学行为14

2.1等离子体的超常化学现象14

2.2非平衡等离子体的激活作用17

2.2.1碰撞参数18

2.2.2等离子体中的基本粒子18

2.2.3等离子体产生的电离机制21

2.3电离过程分析——电子雪崩现象23

2.4等离子体化学反应历程25

2 4.1电子反应26

2.4.2重粒子之间的反应26

2.4.3举例分析26

参考文献29

3等离子体发生技术30

3.1气体放电特性与原理30

3.1.1汤森放电31

3.1.2帕邢定律(Paschen law)32

3.1.3气体原子的激发转移和消电离32

3.2放电等离子体发生形式与放电类型33

3.2.1电晕放电过程33

3.2.2火花放电过程34

3.2.3介质阻挡放电（DBD）过程34

3.2.4辉光放电35

3.2.5弧光放电过程35

3 2.6微波放电36

3.3放电参量与等离子体作用36

3.3.1放电参量36

3.3.2等离子体作用举例分析——辉光放电等离子体作用37

3.4等离子体工业发生技术41

3.4.1高频等离子体发生技术41

3.4.2介质阻挡放电（DBD）等离子体技术制臭氧42

参考文献43

4介质阻挡放电等离子体技术与应用44

4.1介质阻挡放电特性44

4.1.1介质阻挡放电反应器44

4.1.2介质阻挡放电的物理过程44

4.1.3介质阻挡放电特性46

4.2介质阻挡放电物理参数的测量46

4.2.1介质阻挡放电的参数和过程46

4.2.2介质阻挡放电的电场强度47

4.2.3介质阻挡放电的等效电路48

4.2.4介质阻挡的放电电压48

4.2.5介质阻挡的放电电流49

4.2.6介质阻挡的放电电荷49

4.2.7介质阻挡放电的功率50

4.3甲烷的微放电51

4.3.1微放电的形貌51

4.3.2微放电的特征52

4.3.3测量方法53

4.4无声放电等离子技术在化工中的应用——天然气转化和CO2利用53

4.4.1介质阻挡放电等离子体催化天然气偶联制C2烃54

4.4.2甲烷和二氧化碳反应59

4.5偶联历程的量子化学研究65

4.5.1反应途径的推定66

4.5.2计算方法66

4.5.3过渡态的几何构型67

4.5.4生成热和活化能68

4.5.5键级分析69

4.5.6内禀反应坐标（IRC）反应路径分析70

4.5.7结语72

参考文献72

5电晕和辉光放电等离子体技术与应用74

5.1电晕和辉光放电等离子体性质分类74

5.1.1电晕放电74

5.1.2辉光放电75

5.2等离子体鞘层效应和放电的机理分析75

5.2.1等离子体鞘层效应75

5.2.2电晕放电的机理分析78

5.3电晕和辉光放电等离子体技术在化工中的应用——甲烷和二氧化碳制合成气、甲烷偶联制碳二烃80

5.3.1利用电晕放电冷等离子体技术,甲烷和二氧化碳制合成气80

5.3.2非对称电极电晕放电场的能量分布90

5.3.3常压辉光放电甲烷偶联制碳二烃93

5.3.4等离子体甲烷常压偶联反应的光谱分析98

参考文献104

6微波放电等离子体技术与应用106

6.1微波等离子体原理106

6.1.1微波在等离子体中的传播特性107

6.1.2微波等离子体的电子能量吸收的计算109

6.2微波等离子体化学气相沉积系统112

6.2.1微波等离子体化学气相沉积系统112

6.2.2溶胶雾化微波等离子体化学气相制备薄膜材料115

6.3微波等离子化学气相沉积的应用119

6.3.1微波等离子体化学气相沉积制备薄膜119

6.3.2微波等离子体化学气相沉积法制备纳米管121

6.3.3微波等离子体制备粉体材料122

6.3.4微波等离子体表面改性124

参考文献127

7放电等离子体技术与在薄膜制备中的应用(一)128

7.1等离子体的形成与检测128

7.1.1低温等离子体的形成方法128

7.1.2等离子体的测量130

7.2等离子体溅射现象与性质133

7.2.1溅射现象133

7.2.2溅射率134

7.2.3溅射率的测量法134

7.2.4各种物质的溅射率136

7.2.5各种物质起始溅射的能量阈值138

7.2.6离子的加速电压同溅射率的关系138

7.2.7溅射率和晶体结构的关系140

7.2.8离子束相对靶面的入射角同溅射率的关系140

7.2.9从靶面上被溅射出来的粒子状态140

7.2.10被溅射出来的原子的角度分布141

7.3溅射装置和工作原理141

7.3.1直流二极溅射装置及工作原理142

7.3.2磁控溅射装置和原理143

7.3.3对向靶溅射装置和原理143

7.3.4射频溅射装置和工作原理144

7.3.5离子束溅射装置与原理147

7.3.6反应溅射法的成膜原理147

7.3.7激光束成膜装置148

参考文献148

8放电等离子体技术与在薄膜制备中的应用（二）150

8.1高密度磁记录用的垂直磁化薄膜150

8.1.1CoCr系垂直磁化薄膜150

8.1.2钡铁氧体（BaM）垂直磁化薄膜154

8.2对向靶反应溅射FeN薄膜156

8.2.1对向靶反应溅射α″Fe16N2单晶薄膜156

8.2.2FeN梯度薄膜159

8.2.3Ti掺杂α″Fe16N2薄膜的结构热稳定性增强162

8.3碳氮薄膜163

8.3.1碳氮薄膜的化学成分——氮含量164

8.3.2碳氮薄膜的化学键结构166

8.3.3碳氮薄膜的力学性质169

8.3.4碳氮薄膜的电学性质170

8.3.5光学性质170

8.3.6热稳定性171

8.3.7类芳香烃结构的碳氮薄膜172

8.4软X射线光学多层膜172

8.4.1软X射线金属多层膜的结构设计173

8.4.2软X射线光学多层膜的制备、结构稳定性与反射率175

8.4.3软X射线光学多层膜的结构评价178

8.5磁隧道结（MTJ）179

8.5.1MTJ中铁磁薄膜层之间的隧穿电导180

8.5.2隧道结的制备及性质测量183

8.5.3实验结果183

8.6颗粒薄膜185

8.6.1铁磁性金属非磁性金属颗粒膜186

8.6.2金属绝缘体颗粒薄膜188

8.6.3与颗粒结构相关的其他磁性质195

8.6.4应用195

参考文献196

9等离子体在高分子化学中的应用198

9.1低温等离子体在高分子化学中的应用198

9.2等离子体聚合199

9.2.1等离子体聚合反应装置199

9.2.2等离子体反应的基本参数201

9.2.3等离子体聚合的反应机理与特征202

9.2.4等离子体聚合反应207

9.3等离子体引发聚合208

9.3.1等离子体引发聚合的装置209

9.3.2单体和反应条件209

9.3.3等离子体引发聚合的反应机理和特征210

9.3.4等离子体引发聚合反应211

9 3.5等离子体引发聚合原位合金化216

9.4高分子材料的等离子体表面修饰与改性217

9.4.1等离子体表面处理的特点218

9.4.2等离子体与高分子材料表面的作用218

9.4.3高分子材料表面的等离子体修饰与改性的应用220

9.5等离子体高分子化学的发展前景224

参考文献225

10等离子体化学的进展228

10.1等离子体在微电子、光电子技术方面的应用及进展228

10.2等离子体在薄膜制备领域的应用及进展228

10.3超纯、超细粉末材料的合成229

10.4等离子体表面处理229

10.4.1聚合物材料的等离子体表面改性230

10.4.2等离子体在纳米复合材料的制备中的应用231

10.4.3金属材料的表面处理231

10.4.4等离子体喷涂232

10.5等离子体化学合成232

10.5.1常压非平衡等离子体合成氨233

10.5.2等离子体有机合成233

10.5.3纳米碳管的合成233

10.6低温等离子体在环境保护方面的应用进展233

10.6.1低温等离子体处理气体污染物的研究进展234

10.6.2在温室气体转化方面的应用234

10.6.3臭氧的合成235

10.6.4在汽车废气处理方面的应用235

10.6.5在液、固体废物处理方面的应用235

10.7在生物学和医学方面的应用236

10.7.1提高医用高分子材料的生物相容性236

10.7.2生物医用聚合物材料的微图形化237

10.7.3利用等离子体杀菌消毒238

10.8等离子体化学中的诊断技术239

展望240

参考文献240 2100433B

本书是以非平衡(低温)等离子体技术为主，介绍了非平衡等离子体的基本原理、概念和应用，低温等离子体技术在化学合成反应、聚合反应、等离子体镀膜、表面处理和功能膜制备等中的应用。

本书以非平衡等离子体为主要内容进行介绍，共分为10章，第1章～第3章介绍等离子体基本原理、基本概念。第4章～第9章分别介绍在无声放电、电晕和辉光放电、微波放电等不同的等离子体条件下的研究基础工作与技术应用。第10章简要介绍近几年来国际上对等离子体技术的研究进展。

本书可作为石油、化工、能源、材料、环境、电子等工程专业和大专院校师生、研究生和工程技术人员的参考书。

作　者：许根慧，姜恩永，盛京 著

出 版 社：化学工业出版社

ISBN：9787502584740

出版时间：2006-05-01

版　次：1

页　数：242

装　帧：平装

开　本：16开

所属分类：图书 > 科学与自然 > 物理学

看似“神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99%。21世纪人们已经掌握和利用电场和磁场产生来控制等离子体。最常见的等离子体是高温电离气体，如电弧、霓虹灯和日光灯中的发光气体，又如闪电、极光等。金属中的电子气和半导体中的载流子以及电解质溶液也可以看作是等离子体。在地球上，等离子体物质远比固体、液体、气体物质少。在宇宙中，等离子体是物质存在的主要形式，占宇宙中物质总量的99%以上，如恒星(包括太阳)、星际物质以及地球周围的电离层等，都是等离子体。为了研究等离子体的产生和性质以阐明自然界等离子体的运动规律并利用它为人类服务，在天体物理、空间物理、特别是核聚变研究的推动下，近三、四十年来形成了磁流体力学和等离子体动力学。

等离子体由离子、电子以及未电离的中性粒子的集合组成，整体呈中性的物质状态。等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。等离子体温度分别用电子温度和离子温度表示，两者相等称为高温等离子体；不相等则称低温等离子体。低温等离子体广泛运用于多种生产领域。例如：等离子电视，婴儿尿布表面防水涂层，增加啤酒瓶阻隔性。更重要的是在电脑芯片中的蚀刻运用，让网络时代成为现实。

高温等离子体只有在温度足够高时发生的。恒星不断地发出这种等离子体，组成了宇宙的99%。低温等离子体是在常温下发生的等离子体（虽然电子的温度很高）。低温等离子体可以被用于氧化、变性等表面处理或者在有机物和无机物上进行沉淀涂层处理。

等离子体（Plasma）是一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Tonks）首次将“等离子体”（plasma）一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态[1]。严格来说，等离子体是具有高位能动能的气体团，等离子体的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被束缚于原子核，而成为高位能高动能的自由电子。

等离子体是物质的第四态，即电离了的“气体”，它呈现出高度激发的不稳定态，其中包括离子(具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。其实，人们对等离子体现象并不生疏。在自然界里，炽热烁烁的火焰、光辉夺目的闪电、以及绚烂壮丽的极光等都是等离子体作用的结果。对于整个宇宙来讲，几乎99．9%以上的物质都是以等离子体态存在的，如恒星和行星际空间等都是由等离子体组成的。用人工方法，如核聚变、核裂变、辉光放电及各种放电都可产生等离子体。分子或原子的内部结构主要由电子和原子核组成。在通常情况下，即上述物质前三种形态，电子与核之间的关系比较固定，即电子以不同的能级存在于核场的周围，其势能或动能不大。

普通气体温度升高时，气体粒子的热运动加剧，使粒子之间发生强烈碰撞，大量原子或分子中的电子被撞掉，当温度高达百万开到1亿开，所有气体原子全部电离。电离出的自由电子总的负电量与正离子总的正电量相等。这种高度电离的、宏观上呈中性的气体叫等离子体。

等离子体和普通气体性质不同，普通气体由分子构成，分子之间相互作用力是短程力，仅当分子碰撞时，分子之间的相互作用力才有明显效果，理论上用分子运动论描述。在等离子体中，带电粒子之间的库仑力是长程力，库仑力的作用效果远远超过带电粒子可能发生的局部短程碰撞效果，等离子体中的带电粒子运动时，能引起正电荷或负电荷局部集中，产生电场；电荷定向运动引起电流，产生磁场。电场和磁场要影响其他带电粒子的运动，并伴随着极强的热辐射和热传导；等离子体能被磁场约束作回旋运动等。等离子体的这些特性使它区别于普通气体被称为物质的第四态。

在宇宙中，等离子体是物质最主要的正常状态。宇宙研究、宇宙开发、以及卫星、宇航、 能源等新技术将随着等离子体的研究而进入新时代。